Перспектива комплексной разработки пластов каменной соли скважинами

УДК 622.831.322.234.42 Н.Ю. Смайльс

ПЕРСПЕКТИВА КОМПЛЕКСНОЙ РАЗРАБОТКИ ПЛАСТОВ КАМЕННОЙ СОЛИ СКВАЖИНАМИ

Семинар № 18

В горной практике при разработке пластов каменной соли используется метод подземного растворения. Технология подземного растворения предусматривает буровую скважину и эксплуатацию навесных колонн, которые расположены соответственно размерам труба в трубе (труба меньшего диаметра в трубе большего диаметра), закрепленных к обсадной колонне и оголовку скважины. В одну из таких колонн подается с земной поверхности растворитель соли - вода или слабые рассолы, а по другой - вытесняются рассолы необходимой концентрации. Управляемые способы подземного растворения предусматривают закачку нерастворителя в скважину по межтрубному пространству внешней рабочей и обсадной колоннами, с помощью которого осуществляется отработка слоев-ступеней необходимых размеров высоты и диаметра. В качестве не-растворителя чаще всего на практике используются нефтепродукты, которые образуют слой между рассолами и твердой соляной поверхностью, который ограничивает растворение соляного массива по вертикали. При этом формирование камеры вязано с последовательной отработкой снизу вверх отдельных слоев-ступеней, имеющих форму цилиндра с плоской потолочиной до полной отработки мощности соляного пласта. Высота ступени зависит от

применения управляемого способа подземного растворения и мощности соляного пласта при диаметре камеры 100-120 м [1,2].

В настоящее время технология управляемых способов подземного растворения используется в горной практике в двух самостоятельных направлениях. Первое - это добыча полезного ископаемого в виде хлорид-но-натриевых рассолов с последующим выпариваем. Второе - при строительстве в формациях каменной соли емкостей-хранилищ, используемых для хранения углеводородного сырья и захоронения вредных производственных отходов. Одинаковый технологический подход процессов растворения и формообразования подземных камер обусловлен разными конечными целями и требованиями производства [3-6].

С целью добычи рассолов каменной соли разрабатываются мощные пласты для получения выработок диаметром 100-120 м, и извлекаются насыщенные рассолы концентрацией С = 300^310 г/л, необходимые для выпаривания. При добыче рассолов основным продуктом производства является рассол, и все действия контроля, связанные с работой скважины, направлены на поддержание и получение рассолов нужной концентрации. В этой связи отмечается невысокая производительность скважины эксплуатационного периода 0скв<80 м3/ч [3, 7].

В строительстве подземных хранилищ в формациях каменной соли основным объектом является сама выработка, получаемая при растворении, при этом ее размеры ограничены диаметром 60-80 м. Весь процесс растворения направлен на получение качественной устойчивой камеры, как объекта дальнейшего использования. Для повышения устойчивости камеры последнюю ступень отрабатывают в виде купола при последующем уменьшении размеров высоты и диаметра в каждом слое с помощью не-растворителя. Концентрация извлекаемого рассола в период размыва не превышает С = 160-230 г/л, который сливается в водоносный горизонт или отстойную яму (резервуар) на земной поверхности. Эффективность строительства хранилищ определяется короткими сроками создания, и в этой связи производительность скважины увеличивается более 0скв>80 м3/ч, что приводит к извлечению малонасыщенных рассолов [5, 6, 8].

Вопрос объединения двух направлений возникал уже давно [9, 10]. Особенно в этом заинтересовано строительство подземных хранилищ, поскольку строительство и эксплуатация подземных выработок связаны с целым рядом неблагоприятных факторов и дополнительными затратами. К таким факторам можно отнести длительный срок строительства емкостей, сброс или утилизацию слабых рассолов, сброс насыщенного рассола, необходимого при заполнении хранилищ продуктом и строительство отдельных рассолодобычных скважин для получения компенсационного рассола или емкостей для его хранения.

Во избежание недостатков и высокой себестоимости подземного строительства предпринимались различные мероприятия как у нас в стране, так и

за рубежом. Например, с целью снижения стоимости подземного хранилища в свое время в США предлагалось сооружение хранилищ с двумя камерами, размываемыми соосно вертикальной скважиной [9]. Верхняя камера предназначалась для хранения нефтепродукта, который поджимался рассолом, а нижняя камера использовалась для получения компенсационного рассола.

В работах ВНИИГ [10] предлагалось совмещение добычи рассолов с хранением нефтепродуктов, а также разные схемы кооперации, которые представлялись как весьма эффективными в производстве. На практике рассолопромыслов известны случаи временного использования подземной выработки в качестве хранилища, но для хранения углеводородных продуктов такая выработка используется весьма редко, поскольку начальные требования к разработке месторождений несколько отличаются друг от друга [3, 4].

В связи с возрастающими потребностями в подземных хранилищах, которые могут использоваться не только для углеводородного сырья, а также для захоронения вредных и радиоактивных отходов производства возникает потребность комплексного подхода разработки пластов каменной соли. Комплексный подход предполагает одновременное извлечение кондиционного рассола, необходимого для выпаривания при получении чистой соли, и формирование устойчивой подземной камеры рациональной (округлой) формы, пригодной для последующего хранения углеводородного сырья.

С целью выяснения возможности получения устойчивой выработки округлой формы проводились исследования процессов растворения и формообразования камер в формациях

каменной соли. Анализ технологических схем неуправляемых методов и управляемых способов подземного растворения, а также способов создания резервуаров в формациях каменной соли, показал влияние отдельно взятых технологических параметров, приемов, режимов на форму выработки. Также установлена возможность управления данными процессами без использования нераство-рителя [11]. Исследования происхождения природного карста в растворимых породах показывают формирование округлых карстовых полостей в условиях наземного и подземного залегания [12], что является наглядным примером для получения подобных форм при искусственном растворении скважиной. Определение условий развития и факторов образования природного карста округлой формы, а также выбор отдельных технологических параметров, способствующих равномерному растворению горизонтальной и вертикальной поверхности, способствующих развитию куполообразной потолочины, привели к получению закономерности округлого формирования подземной камеры через вертикальную скважину без не-растворителя. Закономерность сферического образования дает возможность принципиально нового подхода растворения подземной камеры в формациях каменной соли и позволяет создать новую технологическую схему беспослойного способа растворения [13].

Основными отличиями беспослой-ного способа по сравнению с технологией управляемых способов является: -растворение всего соляного массива без деления на слои-ступени; -формирование камеры при помощи развития куполообразной потолочины; -исключение нерастворителя из управления формой камеры, по-

скольку равномерное растворение горизонтальной и вертикальной поверхности приводит к формированию купола и увеличению его размеров; -конструкция скважины исключает свободное пространство и циркуляцию движения растворителя вверх по скважине. Вместе с тем беспослойный способ содержит технологические элементы, применяемые в управляемых способах и неуправляемых методах: заглубленную водоподачу, про-тивоточный режим подачи растворителя, возможность смены режима на прямоток, изменение производительности скважины на этапах отработки камеры и т.д.

Исследования свободного растворения массива и сферического формирования выработки проводились на блоках каменной соли методом приближенного физического моделирования при соблюдении теории подобия с учетом условий однозначности, а также подтверждались практическими результатами на скважине. Сопоставление результатов исследований с практикой управляемых способов показали значительные отличия технологических показателей (рис. 1-5).

Расчеты показывают, что значения коэффициента насыщения при растворении всего массива беспослой-ным способом в 2 раза выше при одинаковой производительности Оскв= = 800 м3/сут и меньшем объеме выработки по сравнению с послойным способом (рис. 1 [7], 2), что позволяет увеличить Оскв.

Значительно сокращен временной интервал получения насыщенных рассолов при меньших объемах выработки [7]. Расчеты показывают, что относительно О = 816 м3/сут и Шк ~ =17000 м можно извлекать насыщенные рассолы. Уменьшение Оскв прводит к наиболее быстрому насыщению при меньших объемах, а также

О -I---------i----------1-----------1----------1----------1----------.----------1-----

О 200 400 600 800 1000 1200 1400

Производительность скважины Q м3/сут.

Рис. 1. Зависимости коэффициента насыщения от Qckb н % содержания галита в породе: 1 - 100 %; 2 - 98 %; 3 - 96 %; 4 - 94 %; 5 - 92 %; б - 90 %

0,07 - кн,ср, т/м3

0,06 -

0,05 -

1 0,04 -

i ш

I

Í

* 0,03 -

0,02 -0,01 -0

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Производительность по рассолу q м3/сут

Рис. 2. Зависимости коэффициент насыщения kH=f(Q) при растворении массива каменной соли беспослойным способом

Концентрация рассола

Объем камеры

Рис. 3. Сравнение результатов растворения беспослойного способа (- - -) с технологическими параметрами послойного способа

Плотность извлекаемого рассола

Время размыва Т, ч

Рис. 4. .Прогноз динамики изменения плотности извлекаемого рассола при разной производительности отработки моде лей

Время растворения модельной камеры, Т,ч

Рис. 5. Сравнение показателей плотности рассолов р = /(Т) при моделировании камер послойным и беспослойным способами

показывают, что извлекаемые рассолы достигают насыщения при значительно меньших объемах камеры при одинаковой производительности скважины (рис. 3).

Технологическая схема беспо-слойного способа за счет свободного растворения массива соли (относительно высоты ступени управляемых способов) дает возможность извлечения кондиционного рассола, пригодного к выпариванию уже при небольших объемах выработки, что дает возможность увеличить производительности скважины 0скв>80 м3/ч, а также значительно снизить время отработки камеры (рис. 4, 5). Округлая форма повысит устойчивость подземной выработки в ослабленной и невысокой прочности породах, свойственной условиям высокого горного давления и газосодержащей породы на больших глубинах

Таким образом, результаты исследований показываю, что способ бес-послойного растворения отвечает требованиям подземного растворения камер в формациях каменной соли как с точки зрения добычи рассолов, так и строительства подземных хранилищ. Эффективность беспослойно-го способа очевидна (рис. 1-4), поскольку свободное растворение вертикальной поверхности (всего массива соли), а не ограниченной по высоте ступени в управляемых способах, способствует извлечению кондиционного рассола при малых объемах выработки за значительно короткое время. Устойчивость камеры сохраняется на протяжении всего периода отработки камеры за счет формирования куполообразной потолочины. Поэтому беспо-слойный способ соответствует требованиям для комплексной разработки пластов каменной соли.

1. Бобко П. С. Методы подземного выщелачивания соляных залежей. - Л.: Недра, тр. ВНИИГ, вып.56, 1972.

2. Способ конвективного смешениея с заглубленной водоподачей. А.с. №1113521 СССР, МКИ3 43/28 /Патрунова Л.Н., Каратыгин Е.П., Романов В.С. и др.

3. Дудко П.М. Рассолопромыслы. - М.: Недра, 1986.

4. Мазуров В.А. Подземные газохранилища в отложениях каменной соли. - М.: 1982.

5. Гаев А.Я., Щугорев В.Д., Бутолин А.П. Подземные резервуары. - Л.: Недра, 1986.

6. Временные указания по проектированию и строительству подземных хранилищ в отложениях каменной соли (для нефти, нефтепродуктов и сжиженных газов) СМ 320-65. - М.: Сройиздат, 1965.

7. Патент США N3277654 кл.61-5, 1966. Подземное хранилище для нефтепродуктов с двумя вертикально расположенными камерами.

8. Бобко П.С., Романов В.С. Возможности кооперации рассолодобычи с подземным хранением в камерах выщелачивания рассолопромыслов // Совершенствование

технологии выщелачивания солей. - Л.: ВНИИГ, 1977.

9. Долгих М.А., Матвиенко В.В., Хачатурян Н.С. Оценка прочности камер выщелачивания в отложениях каменной соли. -М.: тр. ВНИИСТ N12, 1962.

10. Смайльс Н.Ю. Обзор исследований по естественному и искусственному формообразованию подземных камер в растворимых породах //Горный журнал.-М.: 4, 1998.

11. Смайльс Н.Ю. Закономерности формообразования подземной камеры при подземном растворении пластов каменной соли //Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: 9, 2001.

12. Айруни А.Т., Смайльс Н.Ю. Методические рекомендации по моделированию процесса создания камер при растворении солей беспослойным способом //Тр. ИП-КОН РАН. - М.: 1985.

13. Дудко П.М., Лехтимяки Э.В. Добыча рассолов выщелачиванием каменной соли через буровые скважины //Гидрогеология и геология соляных месторождений. - Л.: Недра, 1972, ВНИИГ, вып.56, с 146-175. ЕЕЕ

— Коротко об авторах-------------------------------------------------

Смайльс Н.Ю. - кандидат технических наук, научный сотрудник, ИПКОН РАН.

---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ШАПОШНИКОВ Филипп Владимирович Математическое моделирование радиационно-химических реакций в чистом кварцевом стекле 05.13.18 к.ф.-м.н.