Геоэкологические проблемы строительства и эксплуатации ПХГ в отложениях каменной соли

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 [1]. В то же время  в мировой практике газовой промышленности успешно функционируют многие сотни резервуаров для хранения газа в солях [2]. 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 [3] 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, калийно- магниевыми 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 [4]. 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 [7] 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 [3].

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 [3] (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.