СПОСОБ ПОДЗЕМНОГО ЗАХОРОНЕНИЯ БУРОВЫХ ОТХОДОВ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ
METHOD OF SUBSURFACE DISPOSAL OF DRILL FLUIDS IN PERMAFROST ROCKS

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при эксплуатации подземных резервуаров-хранилищ, создаваемых в многолетнемерзлых породах через скважину для захоронения отходов бурения.
Известен способ захоронения буровых отходов, включающий извлечение из общего объема отходов жидкой фазы и последующую закачку ее в глубокие поглощающие горизонты, а захоронение твердых буровых отходов осуществляют на полигоне (В.Ж.Аренс, В.И.Соркин, А.С.Хрулев, Г.Х.Хчеян. Использование скважинной гидротехнологии при освоении углеводородных месторождений севера. Вестник российской академии естественных наук, 2008, том 8, №1 с.33-38).
Недостаток данного способа заключается в отрицательном экологическом воздействии на природу. Захоронение жидких буровых отходов в поглощающие горизонты не исключает их дальнейшую миграцию, а из-за возможных затоплений полигона паводковыми водами не исключается попадание отходов в природные водоемы.
В условиях Севера целесообразнее использовать способ захоронения буровых отходов в резервуарах, построенных в многолетнемерзлых породах (В.Ж.Аренс, В.И.Соркин, А.С.Хрулев, Г.Х.Хчеян. Использование скважинной гидротехнологии при освоении углеводородных месторождений севера. Вестник российской академии естественных наук, 2008, том 8, №1 с.33-38).
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ захоронения буровых отходов в подземном резервуаре, созданном в многолетнемерзлых породах через скважину (А.с. СССР №1620391, B65G 5/00). Способ включает транспортировку отработанного бурового раствора, содержащего буровой шлам, от буровой установки к подземному резервуару, закачку отработанного бурового раствора через скважину в подземный резервуар, отстаивание отработанного бурового раствора в подземном резервуаре, откачку осветленной части бурового раствора на поверхность для повторного использования, переведение оставшейся в подземном резервуаре части бурового раствора со шламом в твердомерзлое состояние за счет естественного охлаждения от вмещающих подземный резервуар многолетнемерзлых пород и повторную закачку отработанного бурового раствора в подземный резервуар.
Недостаток данного способа заключается в низкой эффективности, связанной с длительностью процесса перевода буровых отходов в твердомерзлое состояние за счет притока холода от окружающих подземный резервуар многолетнемерзлых пород.
Задача изобретения заключается в повышении эффективности процесса захоронения буровых отходов с устранением указанных недостатков.
Техническим результатом решения этой задачи является:
- достижение более низкой температуры, обеспечивающей замерзание буровых отходов, в центральной и нижней части подземного резервуара;
- повышение устойчивости подземного резервуара за счет удаления из его центральной части к периферийной зоне незамерзшего бурового раствора;
- предотвращение возможного разрушения покрывающих пород в результате увеличения объема при замерзании жидкой составляющей буровых отходов.
Для достижения этого результата в способе подземного захоронения буровых отходов в многолетнемерзлых породах, включающем транспортировку отработанных буровых отходов от буровой установки к подземному резервуару, закачку их через скважину в подземный резервуар и перевод в твердомерзлое состояние, согласно изобретению при размещении буровых отходов в подземном резервуаре в его верхней части создают свободное пространство объемом не менее 9% относительно объема жидкости, содержащейся в буровых отходах, спускают через скважину до дна подземного резервуара в осадок буровых отходов сезонное охлаждающее устройство, и перевод буровых отходов в твердомерзлое состояние ведут при температуре, ниже температуры вмещающих многолетнемерзлых пород, в направлении от сезонного охлаждающего устройства, расположенного в районе вертикальной оси подземного резервуара, к его боковым поверхностям
Создание в подземном резервуаре свободного пространства объемом не менее 9% от объема жидкости, содержащейся в буровых отходах, предотвращает разрушение покрывающих пород в результате увеличения объема при замерзании жидкой составляющей буровых отходов, так как плотность воды на 9% меньше плотности образующегося льда.
Перевод буровых отходов в твердомерзлое состояние при температуре, ниже температуры многолетнемерзлых вмещающих пород, позволяет замораживать жидкие буровые отходы, содержащие растворенные соли, добавляемые в буровые растворы для понижения температуры их замерзания.
Перевод буровых отходов в твердомерзлое состояние в направлении от оси подземного резервуара к его боковым стенкам позволяет быстрее замораживать содержимое центральной части, в которой, при обычной технологии замораживания, создается зона с более высоким содержанием растворенных солей, характеризующаяся более низкой температурой замерзания. Кроме того, развитие процесса обрушения подземного резервуара вероятнее в его центральной части, поэтому наиболее полное промерзание буровых отходов в этой области повышает устойчивость подземного резервуара.
Спуск через скважину до дна подземного резервуара сезонного охлаждающего устройства и погружение его в осадок буровых отходов обеспечивает замерзание в первую очередь осадка твердых буровых отходов, теплопроводность которых выше теплопроводности жидких отходов. Благодаря этому увеличивается поверхность, через которую поступает холод в подземный резервуар, и промерзание жидких отходов происходит не только от вертикальной оси подземного резервуара, но и от его нижней части, а в известном способе (прототипе) промерзание происходит, преимущественно, в верхней части подземного резервуара за счет естественного охлаждения в зимний период.
Предлагаемый способ подземного захоронения буровых отходов в многолетнемерзлых породах поясняется чертежом.
В подземном резервуаре 1, созданном в многолетнемерзлых породах через буровую скважину 2, размещают буровые отходы и спускают сезонное охлаждающее устройство 3, погружают его в осажденный буровой шлам 4 до дна подземного резервуара 1. Над осажденным буровым шламом 4 образуется слой жидких буровых отходов 5, в котором формируются участки замерзших буровых отходов 6. При размещении буровых отходов в подземном резервуаре 1 в верхней части его полости создано свободное пространство 7.
Способ подземного захоронения буровых отходов в многолетнемерзлых породах осуществляют следующим образом.
Буровые отходы, включающие буровой шлам 4 и жидкие буровые отходы 5, образующиеся при проведении буровых работ, транспортируют от буровой установки (не показана) к месту захоронения отходов и размещают их через скважину 2 в подземном резервуаре 1. При его заполнении буровыми отходами в верхней части полости подземного резервуара 1 создают свободное пространство 7 объемом не менее 9% от объема жидкости, содержащейся в размещаемых буровых отходах. Буровой шлам 4 оседает на дне подземного резервуара 1, а жидкие буровые отходы 5 размещаются над буровым шламом 4. После заполнения подземного резервуара 1 в скважину 2 спускают сезонное охлаждающее устройство 3 с погружением в буровой шлам 4 до дна подземного резервуара 1. В холодный период года по сезонному охлаждающему устройству 3 передается холод от поверхности в подземный резервуар 1, при этом температура сезонного охлаждающего устройства 3 определяется температурой окружающего воздуха и будет значительно ниже температуры вмещающих подземный резервуар 1 пород. Теплообмен между сезонным охлаждающим устройством 3 и буровыми отходами приводит к переходу их в твердомерзлое состояние с образованием замерзших участков 6 вдоль оси подземного резервуара 1 вокруг сезонного охлаждающего устройства 3. При этом в твердомерзлое состояние быстрее всего переходит буровой шлам 4, так как его теплопроводность выше, чем жидких буровых отходов 5. В дальнейшем происходит переход жидких буровых отходов 5 в твердомерзлое состояние в направлении от оси сезонного охлаждающего устройства 3 и от замерзшего бурового шлама 4 к стенкам подземного резервуара 1. Образование замерзших участков 6 у стенок подземного резервуара 1 происходит также за счет запаса холода во вмещающих многолетнемерзлых породах. Сезонное охлаждающее устройство 3 работает только при разнице отрицательных температур на поверхности и в подземном резервуаре 1 вокруг сезонного охлаждающего устройства, поэтому охлаждение буровых отходов в центральной части подземного резервуара 1 будет происходить при температурах, главным образом, ниже температур вмещающих многолетнемерзлых пород.
При замерзании буровых отходов в подземном резервуаре 1 их объем увеличивается на величину, превышающую на 9% объем жидкости, содержащейся в буровых отходах и, таким образом, произойдет заполнение всего объема подземного резервуара 1, включая полость 7, без воздействия на покрывающие подземный резервуар 1 многолетнемерзлые породы.
3
3
3
3
3
3
Примером конкретной реализации предлагаемого способа служит захоронение буровых отходов при бурении газовых скважин на газовых месторождениях полуострова Ямал. Буровые отходы, состоящие из бурового шлама объемом 1650 м и жидких буровых отходов объемом 3000 м транспортируют к месту их захоронения и размещают в подземном резервуаре объемом 5000 м. При этом объем жидкой фазы буровых отходов с учетом жидкости, содержащейся в поровом пространстве бурового шлама (40%), составляет 3660 м. Объем незаполненной части 7 подземного резервуара 1 равен 350 м, что составляет 9,6% от суммарного объема жидкости, содержащейся в буровых отходах. Таким образом, при замерзании буровых отходов заполнен почти весь полезный объем подземного резервуара, в котором общий объем замерзших буровых отходов составит 4979,4 м. Температура воздуха на поверхности в зимний период достигает минус 40°C - минус 50°C, что обеспечивает охлаждение наружного теплообменника (конденсатора) охлаждающего устройства и снижение температуры вокруг его подземной части (испарителя) до минус 35°C - минус 45°C, что достаточно для перевода в твердомерзлое состояние буровых отходов, содержащих добавки для снижения температуры замерзания. Продолжительность холодного сезона для условий полуострова Ямал составляет 9 месяцев.
Таким образом, совокупность вышеперечисленных признаков обеспечивает решение задачи повышения эффективности подземного захоронения буровых отходов в подземном резервуаре, созданном в многолетнемерзлых осадочных породах.