Опыт строительства и перспективы использования подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах для захоронения отходов бурения

© И.С. Вакуленко, В.И. Смирнов, С.Д. Сурин, 2016

И.С. Вакуленко, В.И. Смирнов, С.Д. Сурин

ОПЫТ СТРОИТЕЛЬСТВА И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ ДЛЯ ЗАХОРОНЕНИЯ ОТХОДОВ БУРЕНИЯ

Эффективное освоение нефтегазоконденсатных месторождений, расположенных в зоне многолетнемерзлых пород во многом определяется идеологией формирования подходов к решению проблемы захоронения отходов бурения разведочных и эксплуатационных скважин. Рассмотрен опыт и современное состояние скважинной гидротехнологии при строительстве подземных резервуаров, предназначенных для захоронения буровых отходов на полуострове Ямал. Показано, что проблема захоронения отходов бурения в северных регионах становится одной из приоритетных научно-технических задач, обеспечивает экономическую эффективность производства работ и их экологическую безопасность. Приведены примеры технологических решений и обозначены проблемы, связанные с реализацией скважинной гидротехнологией. Ключевые слова: ММП, окружающая среда, скважина, скважин-ная гидротехнология, захоронение отходов бурения, подземный резервуар, криопэг.

В настоящее время на территории Российской Федерации активно ведется подготовка и освоение нескольких десятков месторождений углеводородов. На каждом из этих месторождении количество эксплуатационных скважин может достигать нескольких сотен. Например, на Бованенковском НГКМ планируется пробурено более 750 эксплуатационных газовых скважин. Объем образования отходов при строительстве одной эксплуатационной скважины составляет от 800 до нескольких тысяч м3, и, соответственно объемы отходов на месторождении могут достигать сотен тысяч м3. С учетом освоения новых месторождений углеводородов в восточных и северных регионах, проблема обращения с отходами бурения приобретает серьезное экологическое и экономическое значение.

УДК 621.642.37

Образующиеся отходы бурения состоят из буровых сточных вод (БСВ), отработанных буровых растворов (ОБР) и бурового шлама (БШ). При этом, жидкие буровые отходы составляют до 70% от общего объема образующихся отходов. В зависимости от состава бурового раствора на водной или полимерной основе, твердые буровые отходы могут содержать до 4%, а жидкие до 30% нефтепродуктов. Буровые отходы при использовании водного раствора относятся к 4 классу опасности, а при использовании полимерной и нефтяной основы могут относиться и к 3 классу опасности.

В 2007—2012 гг. на Бованенковском НГКМ были проведены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по испытанию скважинной гидротехнологии для создания подземных резервуаров в многолетнемерзлых осадочных породах, разработаны рабочие проекты на строительство подземных резервуаров единичным объемом от 2000 до 5000 м3, которые прошли экологическую и государственную экспертизу. С 2011 г. на Бованенковском НГКМ производится захоронение буровых отходов в подземных резервуарах, создаваемых на кустовых площадках. Внедрение технологии подземного захоронения буровых отходов позволило минимизировать их техногенное воздействие на вмещающие многолетнемерзлые породы (ММП) в условиях 80%затопления территории месторождения паводковыми водами, существенно сократить капитальные и эксплуатационные затраты, связанные с буровыми отходами.

После заполнения подземного резервуара буровыми отходами происходит их постепенный переход в мерзлое состояние. Для расчета длительной устойчивости подземных резервуаров нами изучены размеры зоны, в которой мерзлые грунты вблизи подземного резервуара переходят в пластично-мерзлое состояние в процессе захоронения и стадии последующего промерзания буровых отходов.

Экологическая безопасность обеспечивается за счет строительства подземных резервуаров в непроницаемых многолет-немерзлых породах. Глубина заложения подземных резервуаров — ниже глубины нулевых годовых амплитуд, исключает возможность контакта с водами сезонно-талого слоя, воздействие на почвенно-растительный покров и другие компоненты природной среды, а отсутствие наземных сооружений и соответственно низкая материалоемкость снижает площадь нарушаемых земель.

Рис. 1. Местоположение резервуара 54-ПР-2: 54-2ДМ1, 54-2ДМ2 — деформационные метки

Более чем 30-летний опыт эксплуатации скважинных подземных резервуаров на Мессояхском, Масстахском и других месторождениях при хранении газового конденсата показывает, что данные резервуары могут эффективно использоваться в качестве сепараторов для выделения и захоронения жидких углеводородов, входящих в состав буровых отходов.

По оценке ОАО «Газпром» на Бованенковском НГКМ наиболее эффективно применение подземных резервуаров для захоро-

_ '0"_Ом_Юм_?0 м

Рис. 2. Форма резервуара 54-ПР-2 по данным звуколокации 224

нения отходов бурения, заменивших дорогостоящее использование наземных полигонов, поглощающих скважин, «Цеха нейтрализации» и переработки.

Установлено, что в условиях распространения многолетне-мерзлых пород захоронение жидких и твердых отходов бурения в подземных резервуарах, создаваемых в непроницаемых мерзлых породах позволяет существенно сократить затраты на освоение месторождения и повысить экологическую безопасность.

В качестве наглядного примера использования скважинной гидротехнологии строительства подземных резервуаров в мерзлых дисперсных породах методом гидроразмыва можно привести резервуар 54-ПР-2. Строительство подземного резервуара 54-ПР-2 длилось 41 каленарный день с 16 августа по 25 сентября 2011 г.

Подземный резервуар 54-ПР-2 находится на возвышенности. Просадок поверхности над резервуаром не выявлено. Оголовок скважины огорожен и закрыт крышкой, препятствующей попаданию воды в резервуар (рис. 1).

Образовавшая выработка-емкость (основной объем) располагается в интервале 21—38,5 м, имеет почти осесимметричную форму, дно выработки находится на отметке 38,5 м, а кровля на 21 м (рис. 2).

Многолетний производственный опыт применения технологии захоронения буровых отходов позволяет утверждать, что наиважнейшими параметрами массива многолетнемерзлых пород с точки зрения технологии строительства и устойчивости помимо их физико механических свойств являются их состав, температура и теплофизические показатели. Без оценки отепляющего влияния буровых отходов на окружающий массив и прогноза устойчивости подземного резервуара в зависимости от изменения свойств ММП и динамики его заполнения буровыми отходами возрастает опасность изменения формы резервуара и снижения его устойчивости.

Недоучет этих факторов приводил к негативным результатам при строительстве подземных резервуаров на Бованенков-ском НГКМ.

Подземный резервуар 65-ПР-2 был размыт до объема 2859 м3 (по регламенту 2750 м3) в августе—сентябре 2012 г.

При откачке воды из подземного резервуара была зафиксирована просадка поверхности земли на расстоянии 3—5 м от технологической колонны (рис. 3).

По мнению специалистов ООО НТФ «Криос» и ООО «Под-земгазпром» образование воронки на поверхности связано, по

Рис. 3. Просадка резервуара 65 ПР 2

видимому, с присутствием в геологическом разрезе линз песков, насыщенных высокоминерализованными водами (кри-опэг) выше интервала строительства. Наличие таких образований на территории Бованенковского НГКМ подтверждается многолетним опытом бурения инженерно-геологических (параметрических) скважин ООО НТФ «Криос» и литературными источниками. Криопэги залегают в виде изолированных линз различных размеров и мощности на глубинах от нескольких метров до подошвы многолетнемерзлых пород и имеют раз-

Рис. 4. Форма резервуара 51-ПР-2 по результатам звуколокации 226

Рис. 5. Расположение резервуара 54-ПР-1

личные напоры и минерализацию. Бурением технологической скважины криопэг не обнаружен; линза, содержащая криопэг, была вскрыта в процессе размыва резервуара на некотором расстоянии от его центра. В ходе отработки образовалась гидравлическая связь криопэга через кровлю с подземным резервуаром, что привело к разгрузке воды с выносом песка в создаваемый резервуар и последующей просадкой поверхности земли с образованием воронки.

В случае нарушения технологии строительства резервуар еще на стадии размытия приобретает неустойчивую форму.

Подземный резервуар 51-ПР-2 был размыт до объема 3590 м3 (по регламенту 3500 м3) в июне—июле 2011 г. Образовавшаяся выработка располагается в интервале 17—34,5 м (рис. 4).

Снижение длительной устойчивости резервуара 51-ПР-2 было вызвано нарушением регламента строительства вследствие чего резервуар приобрел эллипсообразную форму. Возникающие растягивающие напряжения достигают величины 0,58 МПа, что почти в два раза превышает предел длительной прочности песка при растяжении.

Над резервуаром 51-ПР-2 визуально заметна просадка поверхности на величину около 1,5 м (рис. 5).

Анализ опыта строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах наглядно демонстрирует актуальность исследований в области обоснования тепловых и геомеханических процессов в подземных резервуарах, предназначенных для захоронения буровых отходов и хранения

жидких углеводородов. Прежде всего необходимо исследовать процесс изменения температурных полей в подземном резервуаре в период его строительства и эксплуатации и дать оценку влияния температурного воздействия на изменения свойств многолетнемерзлых пород, что влечет за собой изменение его формы и устойчивости. Большую практическую значимость имеет разработка технических решений и научно-техническое обоснование мероприятий по повышению устойчивости подземных резервуаров в процессе их эксплуатации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Смирнов В.И. Строительство подземных газонефтехранилищ. -М.: Газоилпресс, 2000. - 250 с.

2. Хрулев А.С., Савич О.И., Сурин С.Д. Актуальные технологии обращения с отходами при строительстве скважин. НЕФТЬГАЗТЭК. — Тюмень, 2014. — С. 298—299.

3. Казарян В.А., Хрулев А.С., Савич О.И., Сурин С.Д., Шергин Д.В., Горшков К.Н. Строительство подземных резервуаров в многолетне-мерзлых породах для хранения жидких углеводородов и захоронения промышленных отходов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. — 2012. — № 6. — С. 42—45.

4. Хрулев А.С., Савич О.И., Карпухин А.Н., Шергин Д.В., Гридин О.М. Особенности оттаивания многолетнемерзлых пород при создании скважинных подземных резервуаров // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2011. —№ 8. — С. 310—320.

5. Аксютин О.Е., Казарян В.А., Ишков А.Г., Хлопцов В.Г., Теплов М.К., Хрулев А.С., Савич О.И., Сурин С.Д. Строительство и эксплуатация резервуаров в многолетнемерзлых осадочных породах. — М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2013. — 432 с.

6. Сурин С.Д., Карпухин А.Н. Оценка теплового воздействия при строительстве скважинных резервуаров для захоронения буровых отходов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2009. — № 12. — С. 335—344.

7. Сурин С.Д. Обоснование тепловых режимов строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах, Канд. диссерт. — М., 2013. — С. 82.

8. Хрусталев Л.Н. Основы геотехники в криолитозоне. — М.: МГУ, 2005. — 542 с.

9. Трофимов В.Т. Полуостров Ямал. — М.: МГУ, 1975. — 278 с. ЕИЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Вакуленко Иван Сергеевич — аспирант, e-mail: isvakulenko@mail.ru, НИТУ «МИСиС»,

Смирнов Вячеслав Иванович — доктор технических наук, профессор, советник союза золотопромышленников России, Сурин Степан Дмитриевич — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ООО «Газпром геотехнологии».

I.S. Vakulenko, V.I. Smirnov, S.D. Surin EXPERIENCE OF CONSTRUCTION AND PROSPECTS FOR THE USE OF UNDERGROUND STORAGES FOR DRILLING WASTE IN PERMAFROST

Effective development of oil-gas condensate fields, which are located in a permafrost region, is defined by means of the ideology, which forms approaches to address the problem of the liquidation of drilling wastes from exploratory and operating boreholes. This Article considers the experience and modern condition of borehole hydraulic technology in the case of the building of underground reservoirs designed for the liquidation of drilling wastes in the Yamal Peninsula. It is shown, that the problem of the liquidation of drilling wastes in the northern regions becomes ones of the priority Scientific and Technical issues. It provides economic efficiency of woks and their ecological safety. There are given the instances of process solutions and are specified problems connected with the implementation of borehole hydraulic technology.

Key words: permafrost, environment, borehole, borehole hydraulic technology, underground reservoir, cryopeg.

AUTHORS

Vakulenko I.S., Graduate Student, e-mail: isvakulenko@mail.ru,

National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia,

Smirnov V.I., Doctor of Technical Sciences, Professor,

Councilor of the Union of Gold Producers of Russia,

Surin S.D., Candidate of Technical Sciences, Leading Researcher,

Gazprom Geotechnologies LLC.

REFERENCES

1. Smirnov V.I. Stroitel'stvo podzemnykh gazoneftekhranilishch (Construction of gas and oil storages), Moscow, Gazoilpress, 2000, 250 p.

2. Khrulev A.S., Savich O.I., Surin S.D. Aktual'nye tekhnologii obrashcheniya s otkho-damipristroitel'stve skvazhin. NEFT'GAZTEK(Advanced technologies of waste disposal in well construction: NEFTGAZTEK), Tumen, 2014, pp. 298-299.

3. Kazaryan V.A., Khrulev A.S., Savich O.I., Surin S.D., Shergin D.V., Gorshkov K.N. Zashchita okruzhayushchey sredy v neftegazovom komplekse. 2012, no 6, pp. 42-45.

4. Khrulev A.S., Savich O.I., Karpukhin A.N., Shergin D.V., Gridin O.M. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2011, no 8, pp. 310-320.

5. Aksyutin O.E., Kazaryan V.A., Ishkov A.G., Khloptsov V.G., Teplov M.K., Khrulev A.S., Savich O.I., Surin S.D. Stroitel'stvo i ekspluatatsiya rezervuarov v mnogo-letnemerzlykh osadochnykh porodakh (Construction and operation of storages in permafrost sedimentary strata), Moscow-Izhevsk, NITs «RKhD», Institut komp'yuternykh issle-dovaniy, 2013, 432 p.

6. Surin S.D., Karpukhin A.N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2009, no 12, pp. 335-344.

7. Surin S.D. Obosnovanie teplovykh rezhimov stroitel'stva i ekspluatatsii podzemnykh rezervuarov v mnogoletnemerzlykh porodakh (Justification of thermal conditions in construction and operation of underground storages in permafrost), Candidate's thesis, Moscow, 2013, pp. 82.

8. Khrustalev L.N. Osnovy geotekhniki vkriolitozon (Basics ofgeotechnology in permafrost zone), Moscow, MGU, 2005, 542 p.

9. Trofimov V.T. Poluostrov Yamal (The Yamal Peninsula), Moscow, MGU, 1975, 278 p.

UDC 621.642.37