Способ строительства подземного хранилища в сжимаемых грунтах

 

Изобретение касается создания подземных хранилищ и может быть использовано для хранилищ промышленных и бытовых сточных вод, отработанных буровых растворов, а также для строительства подземных резервуаров временного складирования. Способ включает бурение вертикальных скважин и размещение в них зарядов ВВ и забойки. Образование взрыванием зарядных и компенсационных полостей. Образование резервуара из сопряженных полостей от каждой вертикальной скважины взрыванием зарядов. Отличиями являются то, что бурение вертикальных скважин осуществляют на расстоянии одна от другой не менее 120 радусов прострелочного заряда ВВ и не более двух радиусов эффективного использования энергии взрыва основного заряда ВВ на компенсационную полость. Забойку прострелочных зарядов выполняют из нефтелатексной смеси с коагулянтом. Забойку основных зарядов выполняют из нефтецементной тампонажной смеси с ускорителем схватывания. Резервуар из сопряженных полостей образуют последовательным взрыванием зарядов в соседних скважинах, используя полость от взрыва в предыдущей скважине в качестве компенсационной. Взрывание осуществляют без выноса отбитой породы в навал. Предлагается математическое выражение для определения радиуса зоны эффективного использования энергии взрыва основного заряда на компенсационную полость. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к взрывным работам в строительстве и может быть использовано для создания подземных хранилищ промышленных и бытовых сточных вод, отработанных буровых растворов и шламов, образующихся при бурении нефтяных и газовых скважин, а также для создания подземных резервуаров для временного складирования, накопления и осветления жидкостей.

Известен способ создания подземного хранилища в глинистых грунтах, включающий бурение скважин, взрывание в них зарядов ВВ, создание смежных полостей, образование первичной компенсационной камеры в забойной части центральной скважины и отбойку пород на указанную камеру, бурение дополнительных скважин и образование полостей, соединяющих между собой все ранее образованные [1] Недостатками этого способа являются сложность, многостадийность, наличие специального оборудования для производства и транспортировки хладоагента, низкая надежность, зависящая от надежности функционирования холодильного оборудования и точности направления дополнительных скважин. Кроме того, стенки полостей сохраняют устойчивость только в замороженном состоянии.

Наиболее близким к предлагаемому является способ формирования подземных полостей, включающий бурение центральной и периферийных скважин, взрывание камуфлетного заряда ВВ в центральной скважине, образование в ней компенсационной камеры путем извлечения горной массы с помощью гидромониторного устройства взрывание зарядов ВВ в периферийных скважинах с отбойной породы на компенсационную камеру, выносом ее в навал и образованием вторичных компенсационных камер, взрывание в центральной скважине дополнительного заряда, мощность которого увеличивают от нижней границы интервала заряжения к верхней. При этом за счет взрывания на вторичные компенсационные камеры существенно повышается общая эффективность взрывных работ, а наличие подбучивающего начала горной массы предотвращает преждевременное обрушение пород потолочины в первичной компенсационной камере [2] Недостатком такого способа является большая трудоемкость работ, вызванная необходимостью бурения периферийных скважин и размещения в них вспомогательных зарядов ВВ, а также наличие гидромониторного агрегата для извлечения горной массы.

Целью изобретения является повышение эффективности взрывных работ и снижение трудоемкости строительства хранилища.

Достигается это тем, что бурение вертикальных скважин осуществляют на расстоянии одна от другой не менее 120 радиусов прострелочного заряда ВВ и не более двух радиусов зоны эффективного использования энергии взрыва основного заряда ВВ на компенсационную полость, забойку прострелочных зарядов выполняют из нефтелатексной смеси с коагулянтом, забойку основных зарядов выполняют из нефтецементной тампонажной смеси с ускорителем охватывания, сопряженные резервуары подземного хранилища образуют последовательным взрыванием основных зарядов ВВ в соседних скважинах. При этом радиус зоны эффективного использования энергии взрыва основного заряда ВВ на компенсационную полость (R_э) определяют из соотношения R_э= (0,65-0,7) где V проектная вместимость подземного хранилища, n количество сопряженных резервуаров в подземном хранилище; нефтецементную смесь с коагулянтом выполняют методом обратной эмульсии, вмещающей нефть, латекс, глину и агрессивную воду; высоту слоя нефтецементной смеси с ускорителем охватывания над основным зарядом ВВ принимают равной двум радиусам зоны эффективного использования энергии взрыва основного заряда ВВ на компенсационную полость.

На чертеже представлена последовательная схема осуществления предлагаемого способа строительства подземного хранилища.

Осуществляют бурение необходимого количества вертикальных скважин 1 на расстоянии l не менее 120 радиусов прострелочного заряда ВВ 2 и не более двух радиусов R_э зоны эффективного использования энергии взрыва основного заряда ВВ 3 на компенсационную полость. Значение радиуса зоны эффективного использования энергии взрыва основного заряда ВВ на компенсационную полость определяют из соотношения R= (0,65-0,7) где V проектная вместимость подземного хранилища; n количество сопряженных резервуаров в подземном хранилище. В вертикальных скважинах 1 (поз."а") размещают прострелочные заряды ВВ 2 и забойку 4 из нефтелатексной смеси с коагулянтом, которую выполняют методом обратной эмульсии, вмещающей нефть, латекс, глину и агрессивную воду. Путем взрыва прострелочных зарядов 2 образуют удлиненные зарядные полости 5 (поз."б"), стенки которых укреплены слоем 6 вязкого вещества, образованного в результате взаимодействия нефти, латекса, глины и агрессивной воды в условиях высокого давления и температуры при взрыве прострелочного заряда ВВ. В зарядных полостях 5 (поз. "в") размещают основные заряды 3 и забойку 7 из нефтецементной тампонажной смеси с ускорителем схватывания. Высоту слой нефтецементной смеси с ускорителем схватывания над основным зарядом ВВ 3 принимают равной двум радиусам зоны эффективного использования энергии взрыва основного заряда ВВ на компенсационную полость. Последовательным взрыванием основных зарядов ВВ 3 в двух соседних скважинах 1 (поз."г") образуют сопряженные резервуары 8 (компенсационные полости) подземного хранилища, стенки которых закреплены твердым водонепроницаемым покрытием 9, образованным в результате отвердевания нефтецементной тампонажной смеси при ее взаимодействии с водой и ускорителем схватывания. Аналогичным способом осуществляют последовательное взрывание основных зарядов ВВ 3 в остальных скважинах 1.

Благодаря тому, что при взрыве основного заряда ВВ 3 в каждой из вертикальных скважин 1 образуется полость 8, которая является одновременно резервуаром подземного хранилища и компенсационной полостью для последующего взрыва основного заряда ВВ 3 в соседней скважине, а расстояние между этим зарядом и стенкой резервуара, являющегося компенсационной полостью, равное половине расстояния между двумя соседними вертикальными скважинами, выбрано с учетом наиболее эффективного использования энергии взрыва основного заряда ВВ на компенсационную полость, отпадает необходимость бурения дополнительных скважин, взрывания дополнительных зарядов, применения гидромониторных устройств и выполнения других технологических операций для создания специальных компенсационных полостей и разрушения грунтовых перемычек между соседними резервуарами, а следовательно, обеспечивается существенное повышение эффективности работ и снижение трудоемкости строительства хранилища.

Соотношение между значениями радиуса зоны эффективного использования энергии взрыва основного заряда 3 на компенсационную полость принято по следующим соображениям.

Термином "радиус зоны эффективного использования энергии взрыва основного заряда 3 на компенсационную полость" обозначено кратчайшее расстояние от центра масс основного заряда ВВ до контура компенсационной полости, включающее радиус камуфлетной полости, образуемой при взрыве заряда 3, и толщину разрушаемой грунтовой перемычки между этой полостью и компенсационной полостью при условии достижения максимальной вместимости образующейся системы из двух сопряженных полостей. Предельным значением вместимости системы является сумма вместимостей равного количества индивидуальных полостей, образованных при независимом взрывании зарядов ВВ, т.е. в случае, когда расстояние между скважинами (центрами масс зарядов ВВ) превышает сумму радиусов зон влияния каждого из них. Авторами экспериментально установлены зависимости общей вместимости системы подземных полостей от количества зарядов ВВ, последовательности их взрывания и расстояния между центрами масс. Так, при одновременном взрывании двух зарядов ВВ максимальная вместимость системы, но не выше 90% суммы вместимостей полостей при независимом взрывании, обеспечивается только при расстоянии между скважинами (центрами масс зарядов ВВ) l 1,95 R_п, где R_п радиус полости, образуемой при независимом взрывании одного заряда ВВ. Любое отклонение от этого значения l приводит к существенному уменьшению вместимости системы полостей. При одновременном взрывании трех и более зарядов ВВ общая вместимость системы полостей в лучшем случае снижается до 50-70% от предельного значения. Поэтому строительство хранилищ путем одновременного взрывание более двух зарядов ВВ нецелесообразно. В случае последовательного взрывания двух зарядов ВВ отсутствует взаимовлияние встречных взрывных волн, а вместимость системы полостей на уровне предельной сохраняется при любых значениях расстояния между центрами масс зарядов ВВ, превышающих значение l 2R_п. Полость, образуемая взрывом первого заряда ВВ, является компенсационной для второго. Это условие сохраняется и в случае увеличения количества последовательно взрываемых зарядов ВВ, что обеспечивает возможность строительства крупных многорезервуарных хранилищ, в том числе в сложных геологических условиях. Надежность и эффективность обеспечения сопряженности резервуаров в хранилище определяется надежностью разрушения грунтовой перемычки между ними при минимальном отбросе раздробленного грунта. Авторами экспериментально установлено, что это условие соблюдается при соблюдении соотношения l (2,1 2,26) R_п для грунтов с различными физико-механическими свойствами. В расчетах принимается 0,5 l т.е. R_э (1,05-1,13) R_п. Известно, что при камуфлетном взрыве сосредоточенного заряда ВВ R_п= где П_п показатель простреливаемости грунта, Q масса ВВ в заряде, е коэффициент, учитывающий тип ВВ.

Поскольку П_п ˙ Q ˙ e V_п, где V_п вместимость полости, то справедливо соотношение R_п= или для системы из n полостей R_п= = 0,62 откуда, R_э= (1,05-1,13)·0,62 (0,65-0,7) Минимальное расстояние между вертикальными скважинами 120 радиусов прострелочного заряда определено по известному условию максимального радиуса зоны пластических деформаций грунта при взрыве удлиненного заряда ВВ.

Применение нефтелатексной смеси для забойки прострелочного заряда обеспечивает быстрое образование гидрофобного эластичного покрытия стенок образуемой зарядной камеры и поддержание ее устойчивости по меньшей мере в течение всего срока строительства хранилища. Наличие коагулянта ускоряет процесс образования эластичной латексной пленки. Коагулянтом является раствор глины в агрессивной воде. В качестве агрессивной воды может быть использован, например, водный раствор хлорида кальция.

Применение нефтецементной тампонажной смеси с ускорителем схватывания для выполнения забойки основного заряда ВВ обусловлено условиями размещения забойки в зарядной полости и формирования твердого покрытия подземной полости после взрыва заряда ВВ. Наименьшая трудоемкость размещения забойки обеспечивается в случае применения забоечного материала текучей консистенции. Это условие выполняется, если забоечный материал выполняют из смеси нефти и цемента. Нефть препятствует схватыванию цемента, поэтому смесь может быть приготовлена заранее в объеме, достаточном для закрепления всех резервуаров хранилища. После взрыва заряда ВВ нефтецементная тампонажная смесь впрессовывается в стенки образующейся полости и сопряженной с ней части зарядной полости, нефть замещается водой, вода взаимодействует с цементом, в результате чего образуется твердое бетонное покрытие. Для ускорения процесса применяют ускоритель схватывания, например, гипс или кальцинированную соду.

Необходимая высота слоя забойки 7 над основным зарядом ВВ 3, равная двум радиусам зоны эффективного использования энергии взрыва основного заряда ВВ на компенсационную полость 8, определена по условиям обеспечения наиболее благоприятных параметров развития полости при внутреннем взрыве и достаточности объема забойки для формирования покрытия толщиной 0,1 м с учетом потерь.

П р и м е р. Рассмотрим условия строительства подземного шламохранилища на площадке куста N 73 Харьягинского нефтяного месторождения (Республика Коми).

Геологический разрез в районе строительства представлен однородной толщей суглинка мощностью 90-100 м на глубине по кровле по кровле около 10 м.

Проектом предусмотрено строительство четырехрезервуарного хранилища общей вместимостью 1800 м³. Вместимость каждого резервуара 450 м³. При показателе простреливаемости П_п 0,25 м³/кг для создания сферического резервуара вместимостью 450 м³ требуется заряд с массой заряда 1800 кг. Радиус зоны эффективного использования энергии взрыва основного заряда ВВ на компенсационную полость:
R_э= 0,65 0,65 5 м
Максимальное расстояние между скважинами по условию эффективности использования энергии взрыва основного заряда ВВ: l_макс 2 R_э 2 ˙ 5 10 м.

Зарядная полость 5 для формирования основного заряда ВВ 3 создается взрывом удлиненного прострелочного заряда 2 радиусом R_зпр 0,05 м. Минимальное расстояние между скважинами по условию исключения взаимодействия прострелочных зарядов ВВ 2 ˙ l_мин 120 R_зпр 120 ˙ 0,05 6 м.

Принято расстояние между скважинами l 10 м, при котором соблюдаются оба условия: l 2 R_э и l>120R_зпр.

Расчетами по факторам камуфлетности и сейсмобезопасности определены параметры зарядов: прострелочный длина 50 м, масса 300 кг; основной масса 1500 кг, эквивалентный диаметр 1,5 м, физический диаметр поперечного сечения 1 м, длина 2,25 м.

В соответствии с "Техническими правилами ведения взрывных работ на дневной поверхности" заряжание и взрывание скважин при проходке выработок в мягких сжимаемых грунтах уплотнением их энергией взрыва производится теми же приемами, что и при методе скважинных зарядов при добыче полезных ископаемых открытым способом. На этом основании принимается заряжание скважин засыпкой гранулированного ВВ типа граммонит 79/21.

После завершения формирования прострелочного заряда 2 осуществляют его забойку 4, для чего используют нефтелатексную смесь (нефть-60% латекс-30%), приготовленную методом обратной эмульсии, т.е. эмульгированием агрессивной воды (10% ) в нефти. Агрессивную воду готовят, например, растворением хлористого кальция. В процессе эмульгирования состав дополняют глинопорошком и латексом. Готовую эмульсию выливают в скважину с таким расчетом, чтобы она заполнила свободное пространство между гранулами ВВ и всю верхнюю часть скважины, свободную от ВВ.

Производится поочередное или последовательное взрывание всех четырех прострелочных зарядов 2, в результате чего образуются четыре вертикальные удлиненные цилиндрические полости 5 диаметром по 1 м, высотой по 50 м, сообщающиеся с поверхностью через недеформированные верхние части зарядных скважин. Внутренние поверхности полостей покрыты вязкой массой 6 из нефти, глины и эластичной латексной пленки. Это обеспечивает сохранение устойчивости на весь период формирования и взрывания основных зарядов ВВ.

Основные заряды 3 формируют размещением ВВ и средств взрывания в донной части каждой из удлиненных полостей 5, после чего выполняют их забойку 7 с использованием заранее приготовленной нефтецементной тампонажной смеси, которая может сохранять текучесть в течение длительного времени. Высота слоя забойки h_заб. 2R_э 10 м, что обеспечивает наилучшие условия взрывания основного заряда ВВ. При диаметре поперечного сечения зарядной полости 1 м и высоте слоя 10 м объем нефтецементной смеси для забойки одного заряда составляет 7,85 м³, из которых смесь нефти, цемента и гипса (или кальцинированной соды) до 4 м³, остальное вода, заливаемая непосредственно перед инициированием заряда ВВ.

Заряды ВВ 3 взрывают последовательно. После взрыва первого заряда образуется сферическая полость радиусом R_п ≈ 0,9R_э ≈ 4,5 м, покрытая слоем смеси нефти с цементом и гипсом в присутствии воды. В результате взаимодействия гипса (или кальцинированной соды) и цемента с водой образуется твердое цементно-гипсовое покрытие, обеспечивающее устойчивость и гидроизоляцию стенок полости.

Взрывание второго заряда 3 осуществляют с замедлением, продолжительность которого не меньше времени полного завершения формообразования первой полости (до 1 с) и не больше времени отвердевания тампонажной смеси (несколько часов). В результате взрыва второго основного заряда ВВ образуется сферическая полость радиусом R_п К_э 5 м, деформированная в сторону первой полости, и разрушается породная перемычка толщиной около 0,1 R_э 0,5 м.

Взрывание третьего и четвертого зарядов ВВ осуществляют аналогично взрыванию второго заряда ВВ.

После завершения взрывных работ образуется вытянутое по горизонтали четырехрезервуарное хранилище общей вместимостью не менее 1600 м³ с четырьмя выходами на поверхность через верхние части сопряженных со сферическими полостями удлиненных полостей и соосных с ними неразрушенных частей зарядных скважин. Устойчивость и герметичность такого хранилища гарантируется оптимальной формой поперечного сечения и наличием твердого водонепроницаемого покрытия толщиной 0,1-0,15 м.

Формула изобретения

1. СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНОГО ХРАНИЛИЩА В СЖИМАЕМЫХ ГРУНТАХ, включающий бурение вертикальных скважин, размещение в них зарядов взрывчатых веществ и забойки, образование взрыванием зарядных и компенсационных полостей и резервуара из сопряженных полостей от каждой вертикальной скважины, отличающийся тем, что бурение вертикальных скважин осуществляют на расстоянии одна от другой не менее 120 радиусов прострелочного заряда взрывчатых веществ и не более двух радиусов эффективного использования энергии взрыва основного заряда ВВ на компенсационную полость, забойку прострелочных зарядов выполняют из нефтелатексной смеси с коагулянтом, забойку основных зарядов выполняют из нефтецементной тампонажной смеси с ускорителем схватывания, а резервуар из сопряженных полостей образуют последовательным взрыванием зарядов в соседних скважинах, используя полость от взрыва в предыдущей скважине в качестве компенсационной, при этом взрывание зарядов взрывчатых веществ осуществляют без выноса отбитой породы в навал, а радиус зоны эффективного использования энергии взрыва основного заряда ВВ на компенсационную полость определяют из соотношения

где V - проектная вместимость подземного хранилища;
n - количество сопряженных резервуаров в подземном хранилище.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что забойку из нефтелатексной смеси с коагулянтом выполняют методом обратной эмульсии, вмещающей нефть, латекс, глину и агрессивную воду.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что высоту слоя нефтецементной смеси с ускорителем схватывания над основным зарядом взрывчатых веществ принимают равной двум радиусам зоны эффективного использования энергии взрыва заряда ВВ на компенсационную полость.

РИСУНКИ

Рисунок 1