Способ сооружения подземного резервуара в вечномерзлых горных породах

 

Изобретение относится к области подземного хранения жидких нефтепродуктов в устойчивых горных породах и может быть использовано на предприятиях газовой промышленности. Заявленный способ включает бурение и крепление скважины, оттаивание мерзлых пород в необсаженном интервале скважины подачей в нее растеплителя, поддерживание температуры воды в резервуаре не выше температуры соответствия максимальной плотности воды плюс 4^oС для формирования устойчивого свода кровли и выдачу оттаявших пород по рабочей колонне на поверхность. Новым является то, что в качестве растеплителя подают перегретый пар, образующуюся в результате оттаивания льда и конденсации пара воду периодически откачивают и возвращают в резервуар в виде пара. Температуру воды в резервуаре поддерживают регулированием расхода подачи пара. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области подземного хранения жидких нефтепродуктов в устойчивых горных породах и может быть использовано на предприятиях газовой промышленности, расположенных в районах крайнего севера в зоне вечной мерзлоты, например, на п-ове Ямал.

Для обустройства и эксплуатации газовых месторождений необходимо сооружать резервуарные парки для нефтепродуктов и газового конденсата вместимостью десятки тысяч кубометров.

Применение для этой цели подземных резервуаров в мерзлых породах взамен традиционных наземных стальных резервуаров позволяет повысить экономичность сохранения, уменьшить пожаро-, взрыво- и экологическую опасность и сократить затраты завозимых материалов.

Известны способы сооружения подземного резервуара размывом мерзлых нескальных пород через буровые скважины под давлением водой или водным раствором соли, охлажденным до температуры ниже 0^oC, а также без давления с применением гидроэлеватора или газлифта [1, 2, 3, 4, 5].

Сущность известных способов: - бурение скважины, обсадка до рабочего интервала двойной обсадной колонной, разбуривание рабочего интервала, спуск рабочей колонны, подача теплоносителя (вода), выдача оттаявшей породы в виде пульпы на поверхность, регулирование уровня жидкости в резервуаре в целях формообразования и захолаживание обсадной колонны путем прокачки через охлаждающую рубашку (межтрубье) хладагента.

Известные способы сооружения подземных резервуаров в дисперсных минеральных породах отличаются сравнительно сложной технологией, связанной с выдачей на поверхность через скважину оттаявшей породы в виде пульпы.

Вместе с тем в ряде регионов Крайнего Севера, в том числе и п-ове Ямал, широко развиты мощные пластовые, штоковые и трещинные отложения подземных льдов, а также высокольдистых, распученных мерзлых пород, пригодных для сооружения в них подземных резервуаров.

Однако, существующие способы непригодны для сооружения подземного резервуара во льду ввиду коренного отличия в динамике формирование выработки-емкости.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение технологии разработки выемки-емкости подземного резервуара применительно к созданию их в отложениях подземных вод и распученных высокольдистых пород и повышения степени полезного использования теплосодержания воды. Поставленная цель достигается тем, что с целью упрощения технологии применительно к созданию подземного резервуара в отложения подземных льдов, с естественным формированием устойчивого свода, в качестве подаваемого теплоносителя используют перегретый пар, оттаявшую воду не выдают постоянно на поверхность, а используют как промежуточный теплоноситель для передачи тепла от подаваемого пара к поверхности оттаивания, а формообразование подземной емкости осуществляется за счет естественного перераспределения температуры воды по высоте с постепенным повышением ее в сводовой части выработки-емкости.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом.

В массиве мерзлых пород 1, содержащих пласт льда 2 мощностью не менее 10 м, бурят скважину 3, закрепляемую обсадной колонной 4 и цементным кольцом 5. В скважину 3 после разбуривания рабочего интервала до проектной отметки опускают рабочую колонну водовод 7 и паропровод 8, после чего парогенератором 9 нагнетают по рабочей колонне перегретый пар с помощью задвижки 10 и бойпаса 11, регистрируют расход подаваемого в колонну пара так, чтобы предотвратить выброс пара через зеркало воды в резервуаре 6 и далее по скважине 3 на поверхность.

Вода для обеспечения работы парогенератора откачивается непосредственно из создаваемой во льду выработки-емкости 6, например, насосом 12.

Поддержание температурного режима в обсадной колонне с целью предотвращения ее распыления осуществляют подачей холодного воздуха в скважину при помощи вентилятора 13. Воздух, проходя по межтрубью обсадной и рабочей колонны вниз, возвращается на поверхность по рабочей колонне.

Обычно подземный резервуар с расположенного ниже проектной отметки дна гидровруба с постепенным повышением ровня воды в незакрепленном интервале скважины или его постепенным подъемом и понижением.

Применение этой технологии для сооружения выработки-емкости во льду позволяет создать выработки-емкости, т.к. в скважине устанавливается распределение температур, соответствующее естественной стратификации по плотности в диапазоне от 0 вверху до плюс 40^oC внизу и в результате развитие полости вверх не происходит, а происходит интенсивное оттаивание забоя (дна) и развитие полости вниз.

Если учесть, что мощность рабочей толщи пород обычно жестко ограничена, то при обычном размещении незакрепленного интервала скважины в пределах рабочей толщи, забой ее размещают над неразмокающими породами, и будет происходить бесполезная циркуляция воды в системе в неэффективном режиме, не обеспечивающем разработки выработки-полости с заданным темпом от 5 до 10 м³/ч.

Необходимо также учесть, что требования к интенсивности теплообмена при сооружении плоскости размывом водой во льду несравненно выше, т.к. удельные затраты тепла на создание выработки во льду оттаиванием почти в трое выше из-за различий в теплоте оттаивания (30000 Кдж/м³ и 73000 Кдж/м³).

Указанные закономерности были установлены при проведении экспериментов на физических моделях в лабораторных условиях и при наблюдениях за процессом оттаивания ледяной облицовки внутренних поверхностей опытно-промышленных подземных хранилищ.

Пример осуществления способа.

Послойным намораживанием был создан массив льда, размером 20х20х60 см. Дно и боковые поверхности были теплоизолированы пенопластом, с верхнего торца ледяного массива была вморожена полиэтиленовая трубка диаметром 20 мм, длиной 20 см, которая служила обсадной колонной. Ниже обсадной трубы был разбурен рабочий интервал на глубину 30 см (10 см от дна). До дна рабочего интервала была опущена рабочая колонна диаметром 10 мм, по которой подавали перегретый пар, с расходом 1,0-1,5 г/с. Через 2-3 мин в нижней части создаваемой емкости появлялась вода, и подачу пара с этого момента постоянно регулировали для предотвращения прорыва паровой фазы через воду. За один опыт продолжительностью 1,2 ч. создавался подземный резервуар правильной овальной вытянутой формы объемом 300 см³. В пересчете на натурные условия подземный резервуар объемом 1000 м³ будет создан за 180-200 ч.

В процессе сооружения подземного резервуара, исключая начальный период (до 500 м³), устанавливается стационарный режим, когда температура воды по высоте емкости стабилизируется и принимает значения, соответствующие "термоклину" в зимних водоемах, внизу максимальная плюс 4^oC и вверху минимальная, что ведет к формированию более устойчивой сводчатой формы кровли выработки.

Процесс продолжается до получения выработки-емкости проектного объема.

Из группы признаков, присущих предлагаемому изобретению, новыми и обладающими существенной новизной, являются: подача теплоносителя по скважине в виде пара; работа в наиболее морозный период года; отсутствие обратного потока для выноса оттаявшего материала; естественное формирование устойчивых размеров подземной емкости, получаемое регулированием параметров подачи пара и последовательности откачки воды.

Эти признаки учитывают важнейшие особенности способа сооружения подземной выработки в массиве льда и распученных льдонасыщенных мерзлых пород.

Анализ ранее известных решений показывает, что они перечисленных признаков не содержат и последние придают новые важные качества способу, т.е. обладают существенной новизной.

Кроме перечисленных преимуществ предлагаемый способ обеспечивает сооружение подземного резервуара без специальной обсадной колонны с захолаживанием искусственным холодом, который подается вентилятором в скважину с последующим выходом через рабочую колонну на поверхность; упрощает существенно конструкцию рабочих колонн и позволяет снизить энергозатраты как за счет уменьшения гидравлических потерь, так и за счет более полного использования подаваемого тепла.

Литература.

1. Способ сооружения подземного резервуара. Авт. св-во N 70014, кл. B 65 G 5/00, 1973 (прототип).

2. Способ сооружения подземного резервуара. Авт. св. N 194713, кл. B 65 G 5/00, 1982.

3. Способ сооружения подземного резервуара. Авт. св. N 184657, кл. B 65 G 5/00, 1982.

4. Способ сооружения подземного резервуара. Авт. св. N 280918, кл. B 65 G 5/00, 1988.

5. Способ сооружения подземного резервуара. Авт. св. N 906130, кл. B 65 G 5/00, 1971.

Формула изобретения

Способ сооружения подземного резервуара в вечномерзлых горных породах, включающий бурение и крепление скважины, оттаивание мерзлых пород в необсаженном интервале скважины подачей в нее растеплителя, поддержание температуры воды в резервуаре не выше температуры соответствия максимальной плотности воды плюс 4^oС для формирования устойчивого свода кровли и выдачу оттаявших пород по рабочей колонне на поверхность, отличающийся тем, что в качестве растеплителя подают перегретый пар, образующуюся в результате оттаивания льда и конденсации пара воду периодически откачивают и возвращают в резервуар в виде пара в том же количестве, а температуру воды в резервуаре поддерживают регулированием расхода подачи пара.

РИСУНКИ

Рисунок 1