Б.К. Лапочкін, кандидат геолого-мінералогічних наук (Інститут геоекології РАН), Л.К. Сильвестров, кандидат технічних наук
Більш ніж 50-річний досвід використання техногенних каверн в кам'яних солях як сховища вуглеводневих рідин і газів дозволив виявити ряд проблем, найважливішою з яких є витоку збережених продуктів в соляний масив. Витоку можуть виникати при складуванні небезпечних, в тому числі радіоактивних промислових відходів, що може привести до регіонального хімічним або радіоактивного забруднення території з важкими довготривалими наслідками.
Витоку (втрати) збережених речовин можуть бути обумовлені трьома основними факторами:
проникністю соляного масиву, що вміщує техногенну каверну;
гідророзриву (макро- і мікрорастресківанія) солі, в зв'язку з підвищенням тиску рідини;
негерметичність обсадної колони на контакті з гірськими породами, пройденими (пересіченими) свердловиною в процесі буріння.
Широкомасштабні дослідження фізико-механічних і фільтраційних властивостей солей, проведені протягом останніх років в натурних і лабораторних умовах в промислово розвинених країнах Європи і в США дозволили отримати репрезентативні дані про ці властивості солі в природному заляганні (in sity).
Ці нові дані показали, що кам'яна сіль не є суцільним ізотропний непроникний для рідин і газів пружно пластичний матеріал, здатний повністю самозаліковує мікро- і макротріщини під дією зовнішнього тиску. Згідно з новими уявленнями, кам'яна сіль в природному заляганні «це ансамбль структурно неоднорідних елементів, тобто складний, неоднорідний, полікристалічний, слабопроницаемих матеріал, що володіє вираженими пластичними властивостями. Вельми низька проникність кам'яної солі (близько 10-21-10-22 м2) при певних навантаженнях і (або) термодинамічних умовах може зростати в тисячі і більше разів без виникнення макротріщин гідророзриву, видимих ознак руйнування структури і втрати суцільності.
Дослідження показали, що на величину і характер проникності кам'яної солі можуть надавати такі фактори як:
генезис і морфологія конкретної ділянки соленосних відкладень (пластова поклад, передгірний прогин, купольна структура);
пористість і її тип (відкрита, закрита, змішана, тріщина, гранулярна, зосереджена, розсіяна і ін.);
наявність вихідної прихованої «залікованої» трещиноватости і присутність в системі мікро- і макротріщин, сторонніх матеріалів, здатних до адсорбції або адгезії на поверхні солі;
термодинамічні умови фільтрації і особливо їх динаміка у напрямку руху потоку (температура, тиск, вологість);
тип фильтрующегося через сіль флюїду (газ, водні розчини солей, вуглеводневі або органічні рідини).
Для кінцевих оцінок проникності конкретного соляного масиву потрібне точне знання різних сполучень перерахованих факторів, що дозволить при необхідності керувати ними, змінюючи в бажаному напрямку. Це дозволить також визначити той оптимальний мінімум вихідної інформації про властивості солі, який необхідний при проведенні геологорозвідувальних (оціночних) робіт як найважливішого етапу при проектуванні підземного сховища в кам'яної солі.
Ефект гідророзриву (розтріскування) солі може бути викликаний перевищенням допустимого тиску рідини в каверні, і тому, щоб уникнути її розтріскування, потрібно обмеження граничного тиску, створюваного усередині каверни. Як показали результати досліджень, обмеженням тиску можливе управління темпом розвитку розриву (розтріскування). В цілому темпи розвитку тріщин розриву, виміряні в натурних експериментах на свердловинах, зазвичай вище очікуваних при природному підвищенні тиску в кавернах навіть з урахуванням значного внеску теплового розширення рідини.
Однак в кавернах з досить великим вертикальним розміром і з рідиною, щільність якої значно нижче щільності масиву, сіль може бути гідравлічно розірвана, тобто схильна до розтріскування. Слід зазначити, що більшість проведених досі досліджень не вказує на те, які умови повинні бути створені для прояву цього механізму.
Герметичність обсадної колони в контакті з гірськими породами зазвичай забезпечується простою операцією «пакеровкі», або установки, в засурмили обсадної колони свердловини цементного моста ( «перемички») твердеющим розчином спеціального тампонажного цементу.
Застосовуються також інші системи герметизації (закупорки) засурмили, розраховані на дуже тривалий час (сотні або навіть тисячі років). Ці системи включають застосування природних неразрушающий з плином часу матеріалів. До них відносяться бентоніти, солі і т.п.
Якісний тампонаж забезпечує щільність контакту зацементованої обсадної колони і цементного кільця з вміщає масивом гірських порід. При цьому досягається відсутність руху рідини як уздовж цементного кільця, так і під вміщають, тобто прилеглі до стовбура пробуреної свердловини гірські породи.
Особлива увага зосереджується на ділянках стовбура свердловини, пройденої по солі. Це самий «чутливий» ділянку, де найбільш велика небезпека витоків через зіткнення в ньому різних матеріалів: кам'яної солі, цементного каменю і стали при наявності однакового рівня механічних напружень.
Витоку через контакт цементного моста з сіллю під високим тиском рідини в каверні можливі протягом багатьох років. На підтвердження цього припущення було виконано кілька серій досліджень, в яких контакти сіль «цементне кільце зазвичай приймалися відриваються при високій напрузі, тобто без урахування геологічних властивостей солі.
Підводячи попередній підсумок викладеного можна висловити наступні судження:
Кам'яна сіль не є, як раніше уявлялося більшості практиків, суцільний, ізотропної, непроникною для рідин і газів пружно-пластичної середовищем, здатної повністю самозаліковує мікро- і макротріщини, що утворилися в ній з різних причин. Вона «надзвичайно складний матеріал, і тому необхідно грамотне, розумне, засноване на точному знанні її властивостей, використання в якості середовища для будівництва техногенних каверн.
Натурні дослідження не підтверджують неминучості гідророзриву солі.
Поки ніхто не почув експериментальних даних, безперечно підтверджують або спростовують будь-який з трьох названих вище потенційних механізмів витоків при всіх природних і природно-техногенних умовах.
Механізми витоків з каверн можуть змінюватися в залежності від складу, структури і властивостей солі і динаміки підвищення тиску в каверні.
При цьому важливо розуміти, що забезпечити абсолютну герметичність каверн і домогтися повної відсутності витоків хоча б деяких збережених в таких кавернахрезервуарах продуктів (або відходів) неможливо. Однак можливо і необхідно забезпечити в кожному конкретному випадку обгрунтований прийнятний (оптимальний) рівень втрат і створити режим експлуатації, при якому він не буде перевищено, в першу чергу за рахунок обмеження максимального тиску при експлуатації.
Нормативні величини допустимих витоків (втрат) зберігається продукту з підземних резервуарів в кам'яною солі при максимальному робочому тиску
Примітка: 1 paсчетний рік прийнятий рівним 365.25 діб.
Доказами факту офіційного визнання проникності вміщує масиву кам'яної солі в Росії є діяли нормативні документи по підземних сховищ. Ці документи регламентують допустимі рівні втрат зберігається продукту з підземних резервуарів (техногенних каверн) в кам'яних солях (див. Таблицю).
Наведені в таблиці значення величин втрат збережених флюїдів розраховані на підставі результатів, отриманих при спільних випробуваннях на герметичність технологічних свердловин і підземних резервуарів, причому вельми показово, що допуски в обох випадках однакові.
Слід зазначити, що в жодному нормативному документі можливість втрат продукту з підземних техногенних резервуарів в кам'яних солях не вказувалася взагалі, тобто офіційно не визнавалася. Однак в ньому були встановлені норми допустимого падіння тиску при випробуваннях на герметичність технологічних свердловин. Пізніше норми втрат були регламентовані, але вказувалися тільки для вуглеводневих рідин, причому для свердловин зв'язувалися з глибиною (0.04 м3 / добу. Для глибини 300 м і 0.1 м3 / добу. Для 1500 м).
Дані, наведені в таблиці, визначені з урахуванням зарубіжного та вітчизняного досвіду експлуатації підземних сховищ в кам'яних солях і по порядку величин добре корелюють з останніми рекомендаціями зарубіжних фахівців. При цьому передбачається технічно справний гирлове обладнання технологічної свердловини, герметичність обсадних колон і високоякісний цементаж затрубного простору. (Проникність цементного каменю повинна бути на рівні 10-18- 10-16 м2). Крім того, передбачається, що прилегла до підземного резервуару область вміщають солей не містить макротріщин, здатних зумовити витоку флюїду до явно неприйнятних величин.
При видимій значущості наведених величин витоків флюїдів, особливо за термін експлуатації підземного резервуара в кам'яної солі (50 років), відносні величини їх до обсягу зберігається продукту невеликі. Вони незрівнянно нижче витоків з наземних резервуарних парків (нафтобаз) рівній місткості.
2 Kpoмe них при першому заповненні збереженої рідиною існує і менш значні (так звані разові) втрати зберігається продукту на змочування внутрішньої поверхні, адсорбцію в тріщинах і порах і ін.
Грунтуючись на тому, що систематичні нормовані допустимі утечкі2 однакові і для технологічної свердловини, і для резервуара і не залежать від глибини залягання і обсягу останнього, можна зробити висновок про те, що втрати флюїду відбуваються не по всій поверхні техногенноі каверни, а в основному в локальній зоні підкаблучної простору обсадної колони; витік відбувається «потоком» у вигляді рівномірно розподіленим фільтрації від підкаблучної простору в вищерозміщений масив і далі до покрівлі непорушеною солі.
Втрати з техногенних каверн, що споруджуються геотехнологическим способом в соленосних формаціях, можуть викликати негативні екологічні наслідки лише в тому випадку, якщо збережена рідина за час експлуатації виходить вище покрівлі соленосних товщі. До таких наслідків відносяться забруднення підземних водоносних горизонтів, в тому числі питних, забруднення поверхневих акваторій, пожежі і вибухи горючих газів, вуглеводневих рідин і їх пар
Інформація про роботу «Екологічна надійність техногенних підземних каверн»
Розділ: Екологія
Кількість знаків з пробілами: 12047
Кількість таблиць: 1
Кількість зображень: 0