Обоснование тепловых режимов строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах

• Автор: Сурин, Степан Дмитриевич
• Шифр специальности: 25.00.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 100 с. : 86 ил.

Оглавление
Введение
1. Глава 1 - Обзор работ в области сооружения подземных резервуаров
1.1. Технология создания подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах
1.2. Особенности сооружения подземных резервуаров в условиях
многолетнемерзлых грунтов
1.3. Оценка теплового воздействия при строительстве и эксплуатации подземных
резервуаров
1.4. Выводы, цели и задачи исследований
2. Глава 2 - Обоснование физической и математической модели процессов теплообмена теплоносителя с многолетнемерзлыми породами при строительстве и эксплуатации подземных резервуаров
2.1. Математическая модель процесса теплообмена
2.2. Численный метод расчета
2.3. Исходные данные для математического моделирования процессов теплового воздействия от подземных резервуаров на мерзлый массив
2.4. Проверка возможности использования расчетного метода для решения поставленных задач
2.5. Экспериментальные исследования параметров сооружения подземных резервуаров

2.6. Выводы
3. Глава 3 - Влияние параметров теплообмена на форму, размеры и объем подземных резервуаров при их сооружении
3.2. Расчет параметров процесса восстановления температурного режима мерзлого массива
3.3. Результат расчета влияния свойств массива грунтов на сохранность формы подземных резервуаров
3.4. Выводы
Глава 4 - Влияние параметров теплообмена на изменение формы, размеров и объема
подземных резервуаров при их эксплуатации
4.1. Исследование температурного режима мерзлого массива при хранении жидких
углеводородов
4.2 Исследование температурного режима мерзлого массива при захоронении отходов бурения в подземных резервуарах
4.3. Методика прогнозирования устойчивости подземных резервуаров при их сооружении в многолетнемерзлых породах
4.4. Выводы
Глава 5 - Расчет экономических показателей
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список использованной литературы
Приложение А. Геологическая характеристика Бованенковского НГКМ
Приложение Б. Расчеты теплового воздействия при строительстве подземных резервуаров

Введение
Актуальность исследования. Интенсивное развитие газодобывающего комплекса, экологически эффективное использование природных ресурсов и, в то же время, требования законодательства по обращению и захоронению промышленных отходов и хранению жидких углеводородов определяют специфику освоения нефтегазоконденсатных месторождений на Крайнем Севере РФ. Например, при освоении одного Бованенковского НГКМ в результате бурения промысловых скважин образуется около 300 тыс. м буровых отходов, имеющих четвертый класс экологической опасности. Применяемый в настоящее время амбарный метод хранения данных отходов в условиях затопления паводковыми водами до 80% осваиваемой территории запрещен к использованию, вывоз такого объема отходов не представляется возможным, а цеха по нейтрализации буровых отходов и их закачка в глубокие поглощающие горизонты представляются экономически неэффективными. Можно сделать вывод, что используемые в настоящее время методы утилизации или нейтрализации отходов бурения не соответствуют экологическим стандартам (или соответствуют лишь частично) и применяются до сих пор исключительно ввиду отсутствия других предложений в этой области.
Помимо экологических проблем, сопутствующих утилизации отходов бурения, на северных месторождениях существует острая нехватка грунтов, пригодных для отсыпки территории под строительство объектов нефтегазового промысла. Открытая отработка песчаных и гравийных пород в криолитозоне вызывает нарушение сплошности мохового покрова, интенсифицирует опасные геокриологические процессы (солифлюкция, термокарст, эрозия и т.п.). При этом организации, занимающиеся освоением месторождений, вынуждены мириться с принятым законодательством и выплачивать существенные штрафы за нарушение существующей экосистемы.
В связи с этим предлагается создание на территориях северных месторождений подземных комплексов, позволяющих решить вопрос утилизации
большого объема буровых отходов без нанесения вреда природной среде.

Подземное захоронение промышленных отходов в мерзлых породах позволит исключить утечки в речную сеть химических реагентов, оставшихся в шламе после обезвоживания, и предотвратить влияние на местную флору и фауну. При заложении подземных выработок ниже слоя нулевых годовых амплитуд в криолитозоне произойдет постепенный переход буровых отходов в твердомерзлое состояние, после чего негативное влияние на окружающую среду полностью исчезнет. Более того, льдистые горные породы обладают прекрасными водоупорными характеристиками, исключающими возможность фильтрации буровых отходов в мерзлый массив. Однако, само по себе строительство подземных сооружений в областях вечной мерзлоты требует существенных финансовых вложений и может сделать нерентабельным утилизацию буровых отходов данным методом.
В настоящее время активно используется технология скважинной гидродобычи, которая позволяет разрабатывать несвязные горные породы и поднимать их на поверхность за счет гидравлической и тепловой энергии воды. В результате водотеплового разрушения пород в мерзлом массиве получаются полости, которые можно использовать для утилизации промышленных отходов. По совокупности факторов скорости разрушения породы водотепловым способом и возможности подъема оттаявшей породы на поверхность в областях вечной мерзлоты оптимальными породами, с точки зрения технологии скважинной гидродобычи, являются мерзлые пески.
Можно сделать вывод, что эффективным методом борьбы с экологическим воздействием на северную природу является захоронение отходов бурения в подземных резервуарах, созданных в мерзлых песках методом скважинной гидродобычи, с дальнейшим естественным промораживанием данных отходов. В результате строительства серии резервуаров на территориях северных нефтегазовых месторождений в качестве еще одного положительного аспекта можно отметить

2. Глава 2 - Обоснование физической и математической модели процессов теплообмена теплоносителя с многолетнемерзлыми породами при строительстве и эксплуатации подземных резервуаров
2.1. Математическая модель процесса теплообмена
Прогноз формообразования подземных резервуаров в настоящее время ведется по методике, учитывающей движение стенки для цилиндрической модели выработки. При этом не учитывается образование угла естественного откоса для дисперсных грунтов на дне образующейся выработки, наличие различных по свойствам горизонтов в геологическом разрезе и изменение уровня воды в резервуаре в процессе его строительства.
Основным условием при строительстве подземных сооружений является формирование устойчивой формы выработок. Для этого требуется комплексный учет теплового воздействия на мерзлый массив при сооружении подземных резервуаров. В связи с этим требуется проводить разработку регламентов на размыв мерзлых грунтов с учетом влияния перечисленных факторов.
Для решения поставленных задач предлагается провести математическое моделирование процесса теплового взаимодействия мерзлого массива с подземным резервуаром на стадиях строительства и эксплуатации. Для этого необходимо подобрать физическую модель, описывающую происходящие процессы теплопереноса в мерзлом породном массиве с учетом фазовых переходов воды в мерзлой породе. Физическую модель необходимо описать с помощью математического аппарата, который в свою очередь, может быть представлен с помощью численных методов.
Поскольку определенному значению теплосодержания (энтальпии) грунта соответствует конкретная величина его температуры, способ учета фазовых превращений влаги в грунте играет принципиально важную роль, вследствие исключительно большой энергоемкости фазовых превращений. Иными словами, точность расчета температурного режима грунтов зависит, прежде всего, от того, насколько близкой к действительности будет положенная в основу расчета
физическая модель, учитывающая теплоту фазовых переходов.