Формирование температурного режима мерзлых грунтов при захоронении отходов бурения в подземных резервуарах

© СЛ. Сурин, 2014

УДК 622.227:622.232.5 С.Д. Сурин

ФОРМИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРИ ЗАХОРОНЕНИИ ОТХОДОВ БУРЕНИЯ В ПОДЗЕМНЫХ РЕЗЕРВУАРАХ

Б процессе освоения северных месторождений образуется большое количество слаботоксичных отходов бурения, которые захораниваются в подземных резервуарах. Для обеспечения эксплуатационной надежности необходимо сохранение формы выработок. Б работе представлен расчет динамики температурного поля вблизи подземных резервуаров в процессе их эксплуатации.

Ключевые слова: подземный резервуар, эксплуатация подземного резервуара, температурный режим многолетнемерзлых пород.

В настоящее время активное освоение северных нефтега-зоконденсатных месторождений связано с большими финансовыми и экологическими проблемами. В результате бурения одной эксплуатационной газовой или нефтяной скважины образуется порядка 500—700 м3 слаботоксичных отходов бурения. Традиционно применяемый амбарный метод захоронения отходов бурения экологически ненадежен, а их обезвоживание и закачка в глубокие горизонты через скважины связана с большими финансовыми затратами. Предлагаемый нами способ заключается в захоронении отходов бурения в подземных резервуарах (далее в тексте ПР), создаваемых в много-летнемерзлых песчаных отложениях. Низкие естественные температуры грунтов (минус 4—7) переводят жидкие отходы бурения в твердо-мерзлое состояние. ПР создаются в интервале глубин 15—80 м, что позволяет исключить влияние на них годовых колебаний температур на дневной поверхности. Резервуары строятся методом скважинной гидродобычи, поэтому при строительстве образуется большие объемы

песка, который может использоваться при строительстве дорог и отсыпке площадок кустов скважин.

Строительство ведется с помощью водотеплового оттаивания мерзлых песчаных грунтов с сохранением устойчивости свода ПР и недопущением оттаивания мерзлых грунтов вблизи выработки. В процессе эксплуатации в созданные ПР могут загружаться буровые отходы в жидком или твердом состоянии.

Как известно, при изменении температуры мерзлых грунтов существенно изменяются и их прочностные и деформационные свойства, что может привести к нарушению устойчивости выработки. В связи с этим перед расчетом параметров подземных резервуаров необходимо провести оценку теплового воздействия на окружающий массив мерзлых пород.

Целью данной работы является оценка теплового воздействия на мерзлый массив в процессе захоронения, расчет времени перехода буровых отходов в твердое состояние и исследование воздействия сезон-но-охлаждающей установки на процесс замерзания данных отходов.

Таблица 1

Теплофизические характеристики грунтов, задаваемые для расчетов в программе «Тепло»

Теплофизические характеристики

Грунт Теплоемкость (талой фазы) Ст, ккал/м3 °С Теплоемкость (мерзлой фазы) См, ккал/м3 °С Теплопроводность (талой фазы) /\т, ккал/м °С час Теплопроводность (мерзлой фазы) /\м, ккал/м °С час Теплота фазовых переходов ОФ, ккал/м3 Темп-ра начала замерзания, °С

Суглинки легкие 739 505 1,35 1,55 30000 -0,5

Пески пылеватые 620 450 1,55 2,09 17500 0

Суглинки тяжелые 720 550 1,15 1,42 30000 -1

Буровые отходы 740 580 1,1 1,3 50000 -1,5

Лед/Вода 1000 500 0,5 2 80000 0

Нами был рассмотрен процесс теплового взаимодействия подземных резервуаров различного объема и вмещающего массива мерзлых песков при эксплуатации. При этом были выполнены:

1. Моделирование процесса заполнения подземного резервуара с дальнейшим его промораживанием (исследовалась зона растепления мерзлого массива вокруг выработки);

2. Расчет времени полного промерзания отходов бурения в зависимости от глубины заложения ПР, его объема и геометрии;

3. Применение сезонно-охлажда-ющей установки для интенсификации процесса промораживания отходов бурения.

Поставленные задачи решались с помощью программы «Тепло», разработанной на кафедре геокриологии МГУ (авт. свидетельство № 940281). Данная программа расчета температурного режима грунтов основана на энтальпийном методе, позволяющем наиболее точно отразить физические процессы, происходящие при оттаивании-замерзании влаги в грунте. В качестве численного метода применена схема метода конечных разностей как наиболее простая и надежная. Программа дает возможность рассчитать температурный режим в грунтовом массиве при:

• неоднородных свойствах грунтов;

• переменных пространственных размерах элементов-блоков, составляющих массив грунта;

• различных граничных условиях на границах расчетной области.

Исходные данные для расчетов включали в себя результаты натурных наблюдений за геокриологиче-

скими условиями на Бованенков-ском НГКМ. Геологический разрез территории Бованенковского НГКМ можно разбить на три типа инженерно-геологических элементов: верхний — представленный легкими суглинками морского происхождения, замерзающими при температуре -0,5 °С; средний — песчаный, с температурой замерзания 0 0С; нижний — сложенный тяжелыми суглинками, имеющими температуру замерзания -1,5 0С (табл. 1).

При строительстве в областях вечной мерзлоты помимо фазового состояния грунтов (мерзлое/талое) важной характеристикой, влияющей на их прочностные и деформационные свойства, является температура, при которой грунты сохраняют пластичную консистенцию (пластично-мерзлое состояние). Для песков на Бованенковском НГКМ данная температура составляет -0.5 0С, поэтому необходимо количественно оценить размеры зоны, в которой мерзлые пески на стенках ПР могут быть неустойчивы.

I. Для оценки теплового воздействия на грунтовый массив построена математическая модель, основанная на следующих допущениях:

1. Грунтовый массив, окружающий создаваемый резервуар, считается однородным и изотропным.

2. Рассматриваются одиночные осесимметричные подземные выработки объемом от 2000 до 5000 м3 (пример модели ПР объемом 2000 м3 в программе «Тепло» приведено на рис. 1). Тепловое взаимодействие с параллельными выработками на этом этапе не учитывается.

3. Температура грунта в естественных условиях считается неизменной во времени и по глубине ввиду создания резервуаров ниже глубины

0.5 1.0 15 2.0 2.5 2.-] 25 40 4.5 5 5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.5 9.01 9.5И0.0 10.5111.0 115 -;.5 "2..] V

2 : 4 5 6 12.0 2000 куб. м 14.14

25.;; 2202.65

"2.0 66.37 103.53 -2'.21 193.07 193.07 193.07 2163 38 209т .-I' 1996.48 1869 25 1712.17 -°.22.--: 1332.04

г.: 10 11 12

14.0

7 14.:

1 ъ -:.о

15.5

ю 160

11 16.5 193.07 193.07 173.18 "Г."? 2.15 "3.48 £6.55 28.2  25."2 14.14 6.28 1.57 114;; ii-.il .84 588 66 446.88 333.40 2";.;-142.84 86.38 47.12 .15 1.57

"2  -.о

"3 17.5 7 8 Э

14 15 180

16 5

16 18.0

17 18.5

"5 21.0

13 20 23.5

2" .0

2".5 4

23 24 25 26 2-2Ь 22.0 5

22.5 е

23.0

22.5 1

24.0 2

24.5 3

25.0

Рис. 1. Пример модели ПР в программе «Тепло» и точки наблюдения вблизи выработок

нулевых годовых теплооборотов. Такое допущение заметно упростит решение поставленной задачи и уменьшит время машинного счета на данном этапе.

4. Моделируется неполный процесс заполнения подземной выработки (на 90—95 %), что соответствует регламенту на эксплуатацию резервуаров.

5. Температура отходов бурения, сбрасываемых в резервуар, считается постоянной.

Перечисленные допущения и позволяют ставить тепловую задачу как радиально-симметричную при ее решении конечно-разностным ме-том.

Моделирование процесса заполнения подземных резервуаров велось с учетом стадийности сброса отходов раз в месяц (данная частота

определяется временем, необходимым на бурение одной эксплуатационной скважины и перемонтажа буровой установки на следующую скважину). В расчетах определялось изменение температуры грунта вблизи подземных выработок, размер зоны пластичномерзлого состояния грунтов и время полного перехода всех буровых отходов в твердое состояние (рис. 2).

Размер слабоустойчивых зон из-за растепления мерзлых песчаных грунтов и перехода их в пластично-мерзлое состояние варьируется в пределах от 0.3 м для ПР объемом 2000 м3 до 0.7 м для ПР объемом 5000 м . Максимальный размер зоны теплового влияния, где фиксируется изменение температуры на равен 7.0 м для ПР объемом 2000 м3 и 16.0 м для ПР объемом

Рис. 2. Изменение температур во времени вблизи подземного резервуара объемом 2000 м3 с глубиной заложения подошвы до 22.5 м

о

5000 м . Расчетное время полного промерзания буровых отходов в выработках составляет от 65 лет (для ПР объемом 2000 м3) до 98 лет (для ПР объемом 5000 м3).

Максимум теплового воздействия на массив мерзлых грунтов наступает через 3.5—4 года после сброса отходов бурения в подземные емкости, причем наиболее сильное растепление массива проявляется не под дном выработки, а на некотором удалении от оси симметрии; затем начинается охлаждение мерзлого массива и замерзание отходов в резервуаре. Необходимо отметить, что промерзание ПР происходит сверху вниз и от стенок камеры к центру, при этом скорость промерзания по вертикали в 5—10 раз превышает скорость промерзания по горизонтали.

Как показали расчеты, время полного промерзания ПР находится в прямой зависимости не только от объема резервуара, но и от глубины заложения, дисперсности покрывающих грунтов и геометрии выработки (табл. 2).

Обобщая проведенные расчеты можно отметить, что при залегании над резервуаром глинистых грунтов, обладающих меньшей теплопроводностью, нежели песчаные, время промерзания отходов бурения существенно увеличивается. Также при увеличении глубины заложения выработки растет время замерзания отходов. Отсюда можно сделать вывод, что отходы бурения промерзают в результате теплообмена с дневной поверхностью, а окружающий массив оказывает меньшее влияние на проморажививание.

Таблица 2

Время промерзания подземных резервуаров в зависимости от глубины заложения и формы выработки

Объем Глубина заложения кровли, м Высота резервуара, м Радиус резервуара, м Время промерзания, год

1700 15 15 6.0 62

10 7.4 55

30 15 6.0 77

10 7.4 67

3500 15 15 8.6 92

10 10.6 71

30 15 8.6 117

10 10.6 83

5000 15 20 8.9 122

15 10.3 99

30 20 8.9 167

15 10.3 133

Моделирование процесса показало, что на интенсивность замерзания влияет форма выработки. Резервуары одинакового объема и находящиеся на одной глубине, но меньшие по высоте и с большим радиусом замерзают на 10—20% быстрее, чем высокие резервуары небольшого радиуса. Это можно объяснить тем, что при взаимодействии с дневной поверхностью у плоских широких резервуаров больше площадь теплообмена, что существенно сокращает время промораживания полости.

Для интенсификации процесса замораживания буровых отходов применяются сезонно-охлаждаю-щие установки (СОУ). Использование СОУ позволяет принудительно понижать температуру породного массива вблизи подземных выработок и интенсифицирует процесс перехода отходов бурения в мерзлое состояние. Моделирование процесса взаимодействия СОУ с теплыми буровыми отходами в ПР было проведено со следующими допущениями:

1. Грунтовый массив, окружающий создаваемый резервуар, считается однородным и изотропным;

2. Рассматривается осесиммет-ричная одиночная подземная выработка объемом 5000 м3. Тепловое взаимодействие с другими выработками не учитывается;

3. Сезонно-охлаждающая установка работает только в холодный период года, при этом среднемесячная температура установки на 5 0С меньше температуры наружного воздуха;

4. Температура грунта в естественных условиях считается неизменной во времени и по глубине ввиду создания резервуаров ниже глубины нулевых годовых амплитуд;

5. Моделируется неполный процесс заполнения подземной выработки (на 90—95 %), что соответствует регламенту на эксплуатацию резервуаров.

Без использования СОУ первые 4 года идет охлаждение хранимого продукта, а затем медленное промерзание, идущее от кровли и стенок резервуара к его центру. Отходы бурения в ПР объемом 5000 м3,

Рис. 3. Состояние ПР с отходами бурения через 4 года после его заполнения и ликвидации: с использованием сезонно-охлаждаюших установок

высотой 20 м и глубиной заложения кровли 12.5 м от дневной поверхности полностью промерзают в течение 46 лет, что на 54 года быстрее, чем без использования СОУ. При использовании СОУ меняется направление и темпы замерзания. Проведенные расчеты показали, что при использовании СОУ промерзание отходов бурения идет в резервуаре не сверху вниз, а от центра выработки к периферии (рис. 3). На начальном этапе скорость промерзания по горизонтали в 5—10 раз превышает скорость промерзания по вертикали, при этом время полного промерзания буровых отходов пропорционально глубине заложения подземного резервуара.

По результатам проведенных расчетов можно заключить что, замерзание отходов бурения в ПР происходит неравномерно с расположением талой зоны в нижней части камеры. Причем время промерзания отходов бурения зависит не только от объема резервуара, но и от глубины его заложения, литологическо-го состава грунтового разреза и геометрии выработки.

Расположение в почве ПР глинистых грунтов, в процессе промерзания отходов бурения возможен переход глин в талое состояние под выработкой, причем глинистый прослой возвращается в мерзлое состояние после замерзания отходов бурения в ПР.

Использование сезонно-охлаж-дающих устройств существенно повышает несущую способность кровли подземного резервуара за счет образования ледяной колонны в центре выработки и сокращает время промораживания буровых отходов в 2 и более раз.

Минимально допустимое расстояние между соседними выработками с

сохранением ненарушенного целика мерзлых пород зависит от объемов резервуаров, теплофизических свойств грунтов, слагающих массив, и начальных температур отходов бурения, сбрасываемых в ПР, и составляет от 15 м для резервуа-

о

ров объемом 2000 м до 32 м для 5000 м3. ЕЕЭ

KOPOTKO OE ABTOPE -

CypHH CM. - acnnpaHT,

MOCKOBCKHH rocyaapcTBeHHMH ropHbiH yHHBepcHTeT, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru

UDC 622.227:622.232.5

THERMAL REGIME FORMATION IN FROZEN SOIL ON UNDERGROUND DISPOSAL OF DRILLING WASTE

Surin S.D., Postgraduate, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru

Mining in the north areas involves huge amounts of weak-toxic drilling waste to be stored in underground chambers. Functional reliability of the chambers rests upon their shape retention. The article presents calculation of thermal field dynamics in the vicinity of underground disposal chambers while in operation.

The proposed method consists in burying drilling waste in underground disposal chambers (UDC) driven in permafrost sandy deposits. Naturally low underground temperature (4-7 below zero) solidifies drilling waste. UDCs are driven in the depth range 18-80 m below surface, which eliminates the effect of annual temperature variation above ground.

The study was aimed at assessment of thermal influence on permafrost in the course of drilling waste disposal, solidification of drilling waste and analysis of influence exerted by seasonal-cooling facility on drilling waste freezing.

Key words: Underground disposal chamber, underground disposal chamber operation, thermal regime of permafrost.