(окончание. Начало в №4/2019)
Статья 2. Подземное хранение сланцевого газа
К жидким углеводородам относятся сжиженные природные газы и так называемая сырая нефть. Сейчас, когда злободневным становится обсуждение конкурентной борьбы между трубопроводной подачей в Европу углеводородов России, Азербайджана, Туркмении и доставкой сжиженного газа из Америки, Катара и других стран, читателю полезно будет познакомиться с дизайном и технологией строительства хранилищ для этих источников энергии.
Сжиженный природный газ — метан, охлажденный до жидкого состояния при температуре минус 1610С, или пропан и бутан, попутные газы, которые образуются при переработке нефти, и охлаждаются до температуры минус 400-410С. Объем метана при охлаждении уменьшается в 600 раз, пропана и бутана в 250 раз.
Под сырой нефтью понимают широкий ассортимент материалов, состоящий из природной смеси углеводородов и серы, азота, кислорода, объемы которых варьируются в зависимости от летучести, удельного веса и вязкости.
-
О хранилищах жидких углеводородов
Традиционным видом подземного хранения углеводородов служат полости, создаваемые в месторождениях соли ее размывом. Для этого в солевую геологическую формацию бурятся три скважины. В одну из них закачивается пресная вода, растворяющая соль: для образования одного кубометра полости требуется 6-7 м3 воды. Образующийся при этом рассол с удельным весом больше воды, опускается в нижнюю часть полости. По мере увеличения закачиваемых объемов воды в полости растет давление и рассол начинает выходить на поверхность через вторую скважину. Углеводороды закачиваются в образовавшееся хранилище через третью скважину. Соль создает непроницаемое окружение для нефти или сжиженного газа, она нерастворима в углеводородах и не обнаруживает с ними химического взаимодействия (рис.1).
Однако такой способ хранения жидких углеводородов возможен только там, где имеются месторождения соли приемлемых размеров и характеристик. Если такого месторождения нет, в определенном диапазоне геологических условий подземное хранилище сооружается методами традиционных горных работ. Сегодня подземное пространство широко используется для разных целей и поэтому технология так называемого «шахтного» строительства хорошо изучена и успешно применяется.
Горные породы формаций, в которых размещаются хранилища, должны герметизироваться, чтобы предотвратить утечки испаряющегося продукта. Естественная плотность пород увеличивается наличием воды в их порах и трещинах. Если такой воды недостаточно, принимаются инженерные решения по ее вводу под давлением в породный массив через сеть специально пробуренных горизонтальных и вертикальных скважин. Скважины бурятся из галерей, сооружаемых над полостями, в которых хранятся углеводороды, создавая вокруг них водные завесы. Полости хранения соединяются с поверхностью земли или между собой через стволы доступа или туннели (рис.2,3).
Рис.1. Сооружение полости для хранения сжиженного газа в солевом слое. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-13512-0_13 a)прямая циркуляция благоприятствует расширению нижней части полости. Feed solvent (water)-растворитель, brine-рассол, fluid blanket-жидкое одеяло, outer casing-внешняя обшивка, salt-соль, cavern-полость, insolubles-нерастворимые осадки; b)обратная циркуляция благоприятствует расширению верхней части полости
Рис.2. Принципиальная схема подземного хранилища сжиженного газа и нефти. https://www.slideshare.net/SRIJANAVADIGI/cavern1
Рис.3. Сечения полостей и туннелей хранилища сжиженного газа. http://cdn.intechopen.com/pdfs/40556/InTech-Innovative_method_of_Ing_storage … storage gallery-полость хранения, storage perimeter-периметр полости, excavated area- площадь экскавации (с учетом толщины крепи и мембраны), long-длина, access tunnel- туннель доступа, connecting tunnel-соединительный туннель.
Герметизирующая способность образованной водными завесами внешней «оболочки» полости (рис.4) создается, когда давление в ней превышает давление внутри полости. Такое соотношение уровней давления препятствует утечке испаряющегося газа из полости через даже самые малые трещины, которые могут присутствовать в массиве. При этом допускается незначительный приток воды в полость. Вода, проникающая в полость, собирается в ее самой глубокой точке и выкачивается насосом на поверхность постоянно или с интервалами.
Другим путем уменьшения утечек хранимого продукта служит снижение проницаемости пород, в которых построена полость. Обычно они недостаточно плотны, чтобы в них хранилась жидкость или газы под высоким давлением. Проницаемость пород также растет при развитии напряжений в массиве, вызванных горными работами, или при тектонических явлениях в массиве, которые могут привести к развитию трещиноватости и сдвигам породных блоков.
Ris4. Схема изоляции водными потоками продукта в незакрепленной полости хранения. https://docslide.us/documents/oil-caverns.html water gallery-галерея водных завес, unlined caverns-незакрепленные полости, water table-уровень подземных вод, water curtain-водная завеса, flow-lines- линии потоков воды.
Для того, чтобы этому противостоять, во время экскавации полостей, туннелей, водных галерей выполняется опережающее бурение скважин для определения расположения и развития в трех измерениях трещиноватой системы. Уменьшение пористости массива достигается закачиванием в него через скважины цементного раствора, заполняющего самые малые трещины. Например, в хранилище Курашики (Kurashiki), Япония для этого применялся ультратонкий цемент, а скважины бурились длиной по 35 м с расстоянием между ними 4 м.
Описанная технология позволяет уравновесить внутреннее давление хранимого продукта полости с суммарным внешним давлением горного массива и воды, природной и нагнетаемой через водные завесы. Крепь полости ограничивается только теми временными средствами, которые применяются при ее экскавации: металлическими болтами, цементируемыми в скважинах или анкерными болтами, закрепляемыми в хвостовой части скважины. Кроме того, внутренняя поверхность полости покрывается набрызгбетоном, часто с применением армирующих его металлических или полимерных нитей. Параметры этой временной крепи определяются конкретными геологическими условиями размещения хранилища. При такой технологии не нужна мощная и дорогостоящая, а главное, герметическая крепь, которая применяется обычно в транспортных туннелях, например, метрополитена, и сооруженная полость считается незакрепленной (рис.5).
Рис.5. Слева — концепция гидродинамической защиты полости от утечек нефти и газа, справа – схема насосных систем откачки нефти и воды. http://www.fingerlakeslpgstorage.com/pdfs-updated/2012-01-20_BSKtoDEC_… groundwater level-уровень подземных вод, hydrostatic pressure created by groundwater-гидростатическое давление, созданное водой, oil level-уровень нефти, hydrostatic pressure created by oil-гидростатическое давление, созданное нефтью, fixed water bed-установленный уровень воды, oil level detector-детектор уровня нефти, oil level-уровень нефти, oil/water interface detector-детектор границы раздела нефти/воды, oil pump-нефтяной насос, water pump-водный насос.
В попытках снизить расходы на сооружение и поддержание работы сложного комплекса водных завес в последние годы ведутся работы по применению многослойной крепи полости, включающей полимерную (например, полипропиленовую) мембрану или высококачественную антикоррозийную нержавеющую сталь необходимой толщины (см. об этом далее). Однако, такое решение требует предварительного выравнивания и укрепления бетонированием внутренней поверхности полости, чтобы предотвратить повреждения герметических слоев при ее деформации с течением времени
Отличие хранилищ нефти от хранилищ сжиженных газов заключается в необходимости хранить последние при температурах значительно ниже точки замерзания воды. При этом вся вода в породном массиве (главным образом, в трещинах и порах), примыкающем к полости, замерзает. Из-за низкой проницаемости замерзших пород они функционируют как второй барьер против миграции воды.
Главная проблема сохранения целостности полости возникает во время ее начального охлаждения до проектной температуры поддержания газа в сжиженном состоянии. При заполнении полости температура окружающих пород начинает падать. Из-за этого в породном массиве возникают растягивающие напряжения, расширяющие существующие естественные трещины в породах.Увеличивается риск обрушения пород (рис.6) и притока подземных вод в полость. Здесь эта охлажденная вода замерзает и лед, скопившийся в больших объемах, становится чрезвычайно трудно откачать. Поэтому режим охлаждения полости растягивается, чтобы минимизировать такие последствия. Обычно охлаждение занимает 60-150 дней.
Для того, чтобы прогнозировать изменение температуры со временем и напряжения в породах, включая термальные, проводится компьютерный анализ (рис.7). Однако, очень трудно предсказать, какое количество льда будет аккумулироваться внутри полости, что может оказаться большой проблемой. В Норвегии был случай, когда в полости с размером 126х21х33 м при температуре минус 40,50С за 90 дней при атмосферном давлении приток подземной воды был столь велик, что объем полости на 40% был заполнен льдом. Предполагалось, что неожиданный приток воды был вызван раскрытием стыков породных блоков из-за термальных напряжений.
Ris6.
Механизм возникновения аварийной ситуации при строительстве большой подземной полости. https://www.slideserve.com/havyn/safety-measures-adopted-in-
а)многочисленные трещины и вывалы пород — главные проблемы во время строительства, которые могут привести к аварии
б) это нарушение располагалось под уступом и не было замечено при его экскавации
в) клин на стене начинает скользить и, когда уступ был удален при экскавации, скольжение продолжилось
г) обрушилось почти 10 000 тонн породы, что привело к смертельному несчастному случаю
Рис.7. Результаты компьютерного прогноза распределения температуры (слева) и развития трещинообразования (справа) в окружающих породах после охлаждения продукта. https://ac.els-cdn.com/S1674775515300627/1-s2.0-S1674775515300627-main.pdf?_tid =… а)150 дней после охлаждения, б)три года после охлаждения
Другая проблема, связанная с этими же причинами — нестабильное состояние бетонных перемычек, герметизирующих полость в ее соединениях с примыкающими туннелями. Когда температура понижается, эта перемычка и породы, в которых она установлена, сжимаются в различной степени, раскрывая таким образом стыкующиеся поверхности. Все эти соображения должны быть учтены дизайном хранилища.
Геометрия сечений полостей хранения зависит от геологических условий выбранного района. Типичные размеры сечений 16-20 м в ширину и 26-31 м в высоту. Длина полостей и их число определяется необходимым объемом хранилища. Расстояние между полостями обычно составляет примерно 30 м.
На рис.8 схематически показана последовательность экскавации полости большого сечения: проходка пилотного туннеля и четырех уступов.
Рис.8. Последовательность экскавации полостей хранения углеводородов. https://www.jstage.jst.go.jp/article/ijjcrm/10/2/10_15/_pdf/-char/en arch-top access tunnel-арка-верхний туннель доступа, bench-уступ, bottom access tunnel-нижний туннель доступа, arch excavation-экскавация арки, bench excavation-экскавация уступа, jumbo drill-буровая машина, crawler drill-гусеничная буровая машина, shotcrete-нанесение набрызгбетона, removing debris-удаление отбитой породы, mixer-смеситель,shotcrete robot-машина нанесения набрызгбетона, dumb-самосвал, loader-погрузчик.
Кроме полостей в подземный комплекс хранилища входят стволы и туннели доступа, используемые при его строительстве для выдачи породы, доставки людей и оборудования. Экскавация полости осуществляется буровзрывными работами с проведением в ее кровле передового туннеля и поэтапным расширением остального сечения последовательными уступами. Буровзрывные работы в передовом туннеле производятся с бурением горизонтальных скважин, в уступах — горизонтальных и вертикальных.
Подвигание забоя за цикл взрывных работ, продолжающийся 10-12 часов обычно составляет 3,5-4,0 м. Технология строительства подземного хранилища сжиженного газа показана на Видео 1.
Видео 1. Технология строительства подземного хранилища сжиженного газа.
https://www.youtube.com/watch?v=3tXPRaMbGV0
Субтитры к Видео 1:
Исследование места строительства.
— геология,
— гидрогеология,
— механика горных пород.
Строительные работы.
— проходка туннеля доступа,
— проходка ствола,
— экскавация туннелей водной завесы.
Дизайн полости.
— гидродинамический принцип сдерживания,
— горизонтальная водная завеса,
— вертикальная водная завеса,
— глубина,
— геометрия.
Строительные работы.
— экскавация передового туннеля,
— экскавация уступов,
— экскавация последнего уступа,
— галерея полного сечения.
Закрытие полости.
— установка оборудования в стволе,
— бетонная перемычка,
— испытания, пуск в работу.
Операции хранения.
— заполнение полости,
— отправка продукта.
-
Незакрепленные полости для хранения сжиженного газа в Инчхоне
В проект строительства подземного хранилища сжиженного газа в Инчхоне (Incheon), (Корея), осуществленного в 1997-2000 годы, входили три полости для пропана с общей емкостью 343 000 м3 и две бутановых полости с общей емкостью 136 000 м3 (рис.9,10).
Полости располагаются на глубине 127 м и имеют поперечное сечение 343 м2 с размерами 16,0х26,0 м, суммарная длина полостей пропана — 800,4 м, бутана 366,0 м. Кроме того, в основной объем подземных работ при строительстве хранилища входили:
— строительные туннели с сечениями 8,0х7,2 м и 8,0х6,5 м, общей длиной 693,5 м, соединительные туннели с сечениями от 5,0х5,5 м до 10,0х8,0 м, общей длиной 1154 м, галереи водных завес с сечениями 4,6х4,9 м, общей длиной 800,4 м,
— строительный ствол глубиной 127,0 м, диаметром 15,5 м, толщиной крепи 1,0 м, ствол для полости пропана глубиной 178,0 м, диаметром 9,9 м, с толщиной крепи 0,8 м, ствол для полости бутана
— 158 м, диаметром 9,9 м, с толщиной крепи — 0,8 м;
Рис.9. Хранилище сжиженного газа Инчхон, Корея. http://ocw.snu.ac.kr/sites/default/files/NOTE/5872.pdf слева-полость пропана, справа-полость бутана
Рис.10. Объединенная схема полостей пропана и бутана в хранилище Инчхон, Корея. http://ocw.snu.ac.kr/sites/default/files/NOTE/5872.pdf construction shaft-строительный ствол, propane shaft-ствол полостей пропана, butane shaft-ствол полостей бутана, plug-перемычка, water curtain-водная завеса, propane cavern-полость пропана, butane cavern-полость бутана.
Породы, в которых построено хранилище, показаны на рис.11. Хранилище размещено на искусственном острове, расположенном в 8 км от побережья города Инчхон. Отсыпка острова началась в 1993 г, чтобы построить хранилище сжиженного газа и терминал. Глубина моря здесь составляет в среднем 4,6 м и варьируется при приливах.
Из-за насыпного характера грунтов доступ к полостям осуществляется не по наклонному туннелю, а по вертикальным стволам. Стволы до глубины 62,0 м (два ствола) и 71,0 м (один ствол) построены с применением технологии «стена в грунте», что было инновационным решением (рис.12,13). Другим таким решением было применение для выдачи породы автомобильного лифта, когда порода в самосвалах без перегрузки выдавалась по стволу клетевым подъемом. Максимальный вес поднимаемого груза 30 т, в сутки выдавалось 3000 м3 (рис.14).
При строительстве хранилища проводились обширные гидрогеологические изыскания. Контроль и управление подземными потоками воды выполнялись по технологии создания водных завес, описанной выше. На участках с высоким давлением и притоками подземных вод, вместо обычной цементации короткими скважинами, бурились длинные скважины с поверхности и из туннелей
Ведение буровзрывных работ выполнялось по эффективной и экономичной схеме расположения взрывных скважин с рассредоточением заряда от центра забоя к его сторонам. Полость хранения нефти показана на рис.15.
Рис.11. План и разрез расположения полостей хранения сжиженных газов в Инчхоне. http://ocw.snu.ac.kr/sites/default/files/NOTE/5872.pdf banded gneiss-ленточный гнейс, biotite gneiss-биотитовый гнейс, granite-гранит, dуke-интрузивное тело, drill hole location and direction-расположение и направление скважин, depth of sea water: 4,6 m on average-глубина моря: в среднем 4,6 м, coastаl sedimentary layеr-прибрежный осадочный слой, weathered rock-выветренные породы, weak rock-слабые породы, hard rock-твердые породы, water curtain-водные породы, propane shaft-ствол пропана, propane cavern-полость пропана, construction shaft-ствол для строительства, butane shaft-ствол для бутана, butane cavern-полость для бутана.
Рис.12. Последовательность строительства «стены в грунте». http://soilmec.com.au/wp-content/uploads/2017/06/Technology-Diaphragm-Walls-Soilmec-… стадия 1 — экскавация, стадия 2 — удержание бентонитовым раствором стен траншеи от обрушения, стадия 3 — установка арматуры, стадия 4 — бетонирование
Рис.13. Установка арматуры крепи ствола (технология «стена в грунте») http://www.inquip.com/reinforced-concrete-slurry-wall/diaphragm-walls/
Рис.14. Грузовой автомобильный лифт в стволе хранилища Инчхон. http://docplayer.net/58842338-Underground-storage-project-… head frame-надшахтный копер, rope-канат, winder house-здание подъемной машины, truck-самосвал, guide rails-направляющие рельсы, elevator-лифт, cage-клеть, counter weight-противовес, guide rope attachment-присоединение направляющего каната.
-
Подземное хранилище нефти в Падуре
Индия импортирует около 70% нефтяных и газовых потребностей и эта зависимость к 2020 г увеличится до 90%. В связи с этим в стране разработана программа создания стратегического резерва, состоящего из трех хранилищ емкостью от 1,33 до 2,5 млн.т. Самое большое из них Падур (Padur) состоит из двух сдвоенных параллельных полостей с длиной одной пары по 656 м, другой пары — по 700 м каждой полости. Сечение полости имеет подковообразную форму шириной 20 м и максимальной высотой 31,4 м. В комплекс хранилища входят туннели доступа длиной 1570 м с сечениями 12х8 м, соединительные туннели с сечениями 8х8 м и галереи (туннели с сечениями 6,5х6,5 м) водных завес общей длиной 1940 м (рис.16).
Каждая пара полостей имеет по два вертикальных ствола — насосный для выдачи нефти с сечением 12х6 м и ствол подачи нефти с сечением 4х4 м. Общая глубина стволов 321 м.
Подземные полости хранения нефти в Индии, как правило, не крепятся бетоном. Основной принцип хранения нефти в них, как и сжиженного газа — гидравлическая герметизация. Полости Падур располагаются в породах гранитах-гнейсах на такой глубине ниже уровня подземных вод, чтобы гидростатическое давление в последних противостояло давлению газов, испаряющихся с поверхности хранимой нефти. Почва этих полостей находится на глубине 110-120 м от поверхности.
Для того, чтобы контролировать потоки воды из породного массива к полости, создается описанный ранее комплекс водных завес, состоящий из галерей над полостями и скважин, задача которых — пересечь соединения (трещины) породных масс.
Рис.15. Полость сжиженного газа в Инчхоне http://www.entrepose.com/en/reference/mined…
В скважины закачивается вода, которая вместе с природными потоками направляется по системам трещин к полости, чтобы обеспечить ее непроницаемость для утечек хранимого продукта. На рис.17 показана полость хранилища Падур, на рис.18 — схема гидравлического давления, воздействующего на полости хранилища.
Вода, проникающая в полость по трещинам, стекает к приемному колодцу насоса и откачивается по мере заполнения. Особое внимание уделяется тому, чтобы породные массы, окружающие полости хранения, оставались насыщенными водой, даже когда в них ведутся экскавационные работы.
Эти работы в полостях хранилища Падур выполнялись традиционными буровзрывными методами с помощью больших буровых машин Jumbo (рис.19), погрузчиками с емкостью ковша 6,5 м3 и самосвалов Volvo c грузоподъемностью 30 тонн.
Рис.16. Концептуальный дизайн хранилища нефти Падур (Padur). http://www.hccindia.com/whitepaper_pdf/2013/padur-cavern-november-2013.pdf water curtain pressurization system-водная завеса (нагнетательная система), access tunnel-туннель доступа, shaft-ствол, cavern-полость, unit-комплекс.
Экскавация полостей производилась стадиями с передовым туннелем и тремя уступами высотой по 8 м (рис.20). Большие сечения туннелей доступа позволили пропускать тяжелое оборудование к местам проходческих и монтажных работ. Через туннели водных завес производилось бурение скважин и нагнетание воды в породный массив. Здесь для проходческих работ использовались меньшие буровые машины, погрузчики с ковшом емкостью 3,0 м3 и самосвалы с грузоподъемностью 10 т.
При буровзрывных работах в стволах применялась безоболочная взрывчатка с детонаторами неэлектрического действия. Скважины бурились длиной 5,5 м , оптимизировалась их схема расположения и очередность взрывания. Вместо индививидуальных зарядов применялось объемное заряжание скважин, когда взрывчатые ингредиенты закачивались или впрыскивались. Этим решением экономилось около 50% времени на заряжание скважин.
Рис.17. Полость хранилища Падур. http://www.hccindia.com/whitepaper_pdf/2013/padur-cavern-november-2013.pdf
Рис.18. Гидравлическое давление в полости хранилища Падур. http://www.hccindia.com/whitepaper_pdf/2013/padur-cavern-november-2013.pdf refinary-очистка, pumping-откачка, water curtain bore hole- скважина водной завесы, inlet pipeline-подающий трубопровод, water curtain tunnel-туннель водной завесы, concrete plug-бетонная перемычка, seepage pumping-откачка просачивающейся воды, gas-газ, oil-нефть.
Рис.19. Бурение скважин для взрывания в полости Падур. http://www.keltechenergies.com/project-1.html
В качестве временной крепи полостей устанавливались металлические болты — стержни, цементируемые в скважинах, диаметром 25 мм и длиной, варьируемой в зависимости от условий, в пределах 3-8 м. Установка болтов в скважинах производилась с помощью централизаторов, чтобы обеспечить равномерную по окружности цементацию. Кроме болтов, для скрепления пород по контуру полости применялся набрызгбетон. В его состав добавлялись металлические волокна, противостоящие растягивающим напряжениям массива.
В системе водных завес из их галерей бурились 254 скважины диаметром 95 мм, длиной 55-75 м в зависимости от условий. Тщательность бурения была чрезвычайно важной задачей: отклонения скважин не должны были превышать 5%. Затем в каждую отдельную скважину нагнеталась вода. Каждые сутки давление и объем закачиваемой воды проверялись и соотносились с просачиванием воды в полость.
В вертикальных стволах были установлены трубы для загрузки и разгрузки нефти, трубы откачки просочившейся воды, разного рода рециркулярные трубы, трубы для технологических инъекций пара, вентиляции, подачи воды к водным завесам и др.
Во время строительства велось наблюдение за деформациями пород, окружающих полость. При необходимости устанавливались дополнительные крепежные болты и наносились слои набрызгбетона.
Рис.20. Строительство подземной полости хранения нефти в четыре стадии: пилотный туннель и три уступа. http://tunnel.no/wp-content/uploads/2014/01/Publication_5.pdf
Подобный подземный комплекс хранилища жидких углеводородов построен в Джуронге, Сингапур — видео 2.
Видео2
Видео 2. Незакрепленное хранилище жидких углеводородов.
https://www.youtube.com/watch?v=f2ftMVZ1s7k
-
Пилотный проект строительства закрепленной полости в Даджеоне
Как уже говорилось, при создании в полости хранения охлаждающего режима в породах, окружающих полость, возникают термальные напряжения, формирующие систему трещиноватости, или расширяющие существующие трещины в породах.
При этом растут утечки газа и возрастает теплообмен между породами и содержимым хранилища. Предотвратить такие явления или хотя бы существенно уменьшить их можно, разместив незакрепленную полость на глубине от 500 до 1000 м в зависимости от типа пород. Тогда природные напряжения сжатия, вызванные горным давлением, будут уравновешивать напряжения растяжения, возникающие при охлаждении породного массива. Однако, при такой глубине строительство подземных объектов становится сложнее и дороже.
Таких недостатков лишено хранение сжиженных газов в закрепленных полостях с изолирующей системой крепи. Оно было успешно испытано в пилотном комплексе Даджеон (Daejeon), Корея в 2004 г при хранении жидкого азота, имеющего температуру кипения минус 1960С. В составе крепи полости концепция хранения предусматривает комбинацию хорошо известных, надежных и испытанных решений с применением инновационной изолирующей мембраны, которая создает термальную защиту породного массива, чем предотвращает появление в нем растягивающих напряжений и трещинообразование. При этом выпаривание газа уменьшается до уровня, сравнимого с традиционными танками наземного хранения сжиженного газа.
Город Даджеон расположен в 200 км южнее Сеула. Основные породы — гранит с внедрениями гнейса. Последний — видоизмененная порода (так называемая, метаморфическая, т.е. подвергавшаяся воздействию высокой температуры, давления и потоков газовых и водных растворов), состоящая из кварца, полевого штата и других минералов. Породы полости не требуют установки временной (на время экскавации) крепи или достаточна установка металлических болтов с набрызгбетонным покрытием толщиной 40 мм. При строительстве полости использовалось и расширялось старое помещение для холодного хранения продуктов и туннель доступа к нему (рис.21,22).
Кровля экспериментальной полости расположена на глубине 20 м от поверхности земли. Размеры сечения полости 3,5х3,5 м, длина 10 м, объем 100 м3. Изолирующая система, устанавливаемая вместе с обычной крепью стен и кровли полости, представляет собой «сэндвич» из нескольких слоев — полиуретановая пена между листами фанеры — прикрепляемых к бетонной крепи грузонесущей мастикой. Толщина такой изолирующей панели 300 мм и ее наличие сохраняет интенсивность выпаривания газа даже при нагревании окружающих пород до температуры выше, чем минус 500С (при поддержании температуры сжиженного газа минус 1960С). К этой панели прикрепляется гофрированная мембрана из нержавеющей стали толщиной 1,2 мм, которая позволяет создать герметичность хранения. Таким образом, вся внутренняя поверхность полости (почва, стены, кровля) покрывается бетонной крепью, изолирующими панелями и листами стальной мембраны (рис.23).
Рис.21. Главные компоненты системы хранения сжиженного газа в закрепленнной полости. http://www.skec.co.kr/file_download/5.Flexibilities%20of%20LNG%20Storage%20… drainage holes-дренажные скважины, shaft-ствол, storage unit-полость хранения, Drainage galleries-дренажные галереи, аccess galleries (for construction)-галереи доступа (для строительства).
Рис.22. Сечение по хранилищу сжиженного газа с закрепленными полостями. http://cdn.intechopen.com/pdfs/40556/InTech-Innovative_method_of_lng_storage… ground surface-поверхность земли, pumping hole-нагнетательная скважина, cavern- cavern access tunnel-туннель доступа к полости, drainage access tunnel-туннель доступа к дренажной системе, drain hole-дренажная скважина, drainage tunnel- дренажный туннель.
Рис.23. Изолирующая система закрепленной полости хранения. http://www.skec.co.kr/file_download/5.Flexibilities%20of%20LNG%20Storage… rockmass-породный массив, piping tower-трубная башня, shaft-ствол, concrete plug-бетонная перемычка, insulating panels-изолирующая панель, stainless steel membrane-мембрана из нержавеющей стали, concrete lining-бетонная крепь.
В породах вокруг полости хранения образуется непроницаемое ледяное кольцо — второй, кроме комплекса крепи, барьер против утечек хранимого продукта. Это кольцо формируется постепенно: вначале из окружающих пород временно откачиваются грунтовые воды, после экскавации и установки крепи полость заполняется охлажденным сжиженным газом, холодный фронт распространяется в породный массив, дренаж воды прекращается, уровень подземных вод поднимается и быстро формирует толстое ледяное кольцо вокруг полости. Продолжительность этих фаз строительства составляет несколько месяцев или лет в зависимости от свойств породного массива и гидрогеологических характеристик места строительства (рис.24).
Результаты испытаний предложенного способа хранения сжиженного газа анализировались с применением цифровой модели (рис.25), которая показала, что оптимальны размеры сечения полости 20х30 м, а ее длина от 150 до 170 м.
Предлагаемая технология подземной экскавации и мембранная изоляция применяются в Корее при строительстве закрепленных полостей хранения сырой нефти объемом до 4,5 млн.м3 и с сечениями от 300 до 520 м2. Экономический анализ показал, что система подземного хранения при объеме хранилища 300 000 м3 и более целесообразнее, чем наземного или заглубленного.
Рис.24. Ледяное кольцо вокруг сечения полости. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001379521000133X isotherm-линия равной температуры, concrete-бетон, rock-порода, steel membrane-стальная мембрана, insulating panel-изолирующая панель, dried rock-сухая порода, ice ring-ледяное кольцо, LNG (liquefied natural gas)- сжиженный природный газ.
Рис.25. Изотермы вокруг закрепленной полости хранения сжиженного газа. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001379521000133X а)после 20 дней охлаждения, b)после 3 месяцев охлаждения, с)после 6месяцев охлаждения, d)после 1 месяца оттаивания.
-
Вертикальная полость хранения нефти в Скаллене
Для того, чтобы дать читателю представление о разных решениях, осуществляемых в инженерной практике для хранения углеводородов, далее приводится описание подземного хранилища природного газа в газообразном (не сжиженном) виде под давлением в пределах 15-30 МПа (150-300 атм). Концепция такого хранилища разработана в Швеции. Оно состоит из одной или более полостей хранения, вертикального ствола доступа (одного на полость) и системы наклонных туннелей, связывающих полости с поверхностью. Полости располагаются в породном массиве, как вертикальные цилиндры (рис.26).
Типичный размер такого цилиндра 40-45 м в диаметре, 100-120 м по высоте, его емкость 12-30 млн.м3. Инъекция газа в полость будет производиться непосредственно из газопровода. Когда давление газа в полости выше, чем в газопроводе, используется компрессор. Перед закачиванием в полость газ охлаждается. Обратно в газопровод газ поступает непосредственно из полости. При малом давлении в полости оно также повышается компрессором.
Рис.26. Концепция перспективного хранилища углеводородов в Швеции. http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:7561/FULLTEXT01.pdf
Эта концепция испытывалась в пилотном проекте в Скаллене (Skallen) в юго-западной части Швеции. Полость успешно выдержала давление более 50 МПа. Ее строительство было закончено в 2002 г, а коммерческая эксплуатация началась в 2004 г.
Комплекс хранилища состоит из наземных сооружений, расположенных на вершине холма, подземной полости емкостью 40 000 м3 и газопровода длиной 3,2 км для связи с существующей инфраструктурой (рис.27).
Форма полости — вертикальный цилиндр со сферической вершиной и блюдцеобразным днищем. Диаметр цилиндра — 36 м, высота —52 м, вершина полости расположена на глубине 115 м. Форма полости выбрана, в основном, для получения одинаковых напряжений в крепи при высоком давлении внутри полости. Кроме того, купол полости обеспечивает ее устойчивость.
Туннель доступа имеет сечение 28 м2 и пройден под углом 80. Скважина диаметром 1 м, длиной 90 м связывает полость с поверхностью.
Породы, в которых построена полость — гнейсы, пересекаемые плоскими нарушенными зонами.
При проходке туннелей из их забоев проводилось разведочное опережающее бурение. Временная крепь туннелей состояла из цементируемых болтов и набрызгбетона. При больших притоках воды проводилась цементация породного массива.
На рис.28 показана последовательность работ по строительству полости. Сначала туннель, пройденный к ней на отметке +41,0, встретился с пилотной скважиной длиной 160 м, пробуренной сверху вниз с поверхности до днища полости. После проходки туннеля, которая закончилась над куполом полости (шаг I), снизу вверх была пробурена скважина, расширяющая пилотную до диаметра 1 м и связывающая полость с устройствами на поверхности.
Рис.27. Схема вертикального хранилища углеводородов, Скаллен, Швеция. https://www.fch.europa.eu/sites/default/files/project_results_and_deliverables/D3.1_…аbove ground facility-наземный комплекс, cavern depth 115 m-глубина полости, vertical concreted shaft with pipes-вертикальный ствол с трубами, закрепленный бетоном, top tunnel-верхний туннель, upper tunnel-туннель к куполу полости, lower tunnel-нижний туннель, ground surface-поверхность земли, access tunnel-туннель доступа, tunnel entrance-вход в туннель.
Проходка купола началась со входа в него верхнего туннеля (отметка +8,0). Отсюда началась экскавация под крутыми углами двух спиральных туннелей: один вверх налево, другой — направо, чтобы достичь вершины купола полости (шаг II). Туннели встретились на стороне купола противоположной их входу. Левый туннель затем продолжал движение вверх над уже пройденным правым до отметки +18,0. С этого положения началась проходка участками купола, с установкой по мере необходимости временной крепи. Для того, чтобы не нарушить проектный контур купола, до него при буровзрывных работах оставался примерно 1 м пород. Этот слой был затем удален более тщательными взрывными работами. Крепь финального контура устанавливалась участками по 40-70 м2 по мере их обнажения.
После завершения формирования кровли купола его почва опускалась двумя стадиями до уровня +8,0 (шаг IV). От уровня верхнего туннеля (+8,0) на полное сечение полости бурилось 650 скважин. На шаге V было пройдено кольцо на уровне нижнего туннеля (отметка —17,0), на шаге VI — центральная шахта между верхним и нижним туннелями (от +8,0 до —10,0). Они использовались для отгрузки породы стадий VII и VIII.
Рис.28. Последовательность экскавации полости хранилища Скаллен и расположение скважин (примерно 1000) для выполнения взрывных работ в днище хранилища. http://sciencedocbox.com/Geology/78001385-Excavation-of-a-cavern-..
Взрывные работы проводились на полную длину скважин, но над нижним туннелем была оставлена защитная «подушка», охраняющая его и центральную шахту, взорванную на шаге IX. Отбитая при углублении полости порода грузилась через центральную шахту и кольцевой туннель на отметке — 17,0.
Крепь стен полости рассчитывалась с помощью цифровой модели, которая также использовалась для оценки деформаций и напряжений, возникающих при росте давления внутри полости при ее загрузке газом (рис.29).
Рис.29. Дизайн стены полости хранилища Скаллен. http://members.igu.org/html/wgc2006pres/data/wgcppt/pdf/WOC%20… gas pressure-давление газа, steel lining-стальная крепь, concrete-бетон, drainagepipe-дренажная труба, rock mass-породный массив.
Купол полости закреплен набрызгбетоном с толщиной слоя 100 мм, армированным пластиковым волокном, а также зацементированными в скважинах металлическими болтами диаметром 25 мм, длиной 6 м с расстоянием между ними 2,5 м. Стены полости по мере экскавации покрывались неармированным набрызгбетоном с толщиной слоя 30 мм.
Дополнительно два сектора окружности полости 700-1200 и 2500-3000 покрывались армированным набрызгбетоном с толщиной слоя 50 мм и крепились болтами длиной 4 м с расстоянием между ними 3 м, чтобы предотвратить выпадение породных плит.
Хранение углеводородов в подземных полостях доказало, что:
— оно более безопасно при пожаре или опасных промышленных происшествиях на соседних предприятиях,
— охрана подземных полостей более эффективна при терроризме или саботаже,
— оно снижает возможное воздействие углеводородов на окружающую природную среду и требует меньшего участка земли на поверхности, чем традиционное наземное хранение, что особенно важно при строительстве терминалов приема и отгрузки сжиженных газов.
Литература
Amantini, E. The LNG Storage in Lined Rock Cavern. Gastech 2005
http://www.ivt.ntnu.no/ept/fag/tep4215/innhold/LNG%20Conferences/2005/SDS_TIF/050157…
Commercial Potential of Natural Gas Storage in Lined Rock Caverns (LRC). U.S. Department of Energy Federal Energy Technology Center. November 1999.
https://echo.msk.ru/programs/sut/2256004-echo/
Glamheden, R. Excavation of a cavern for high-pressure storage of natural gas. 15 June 2005.
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.205.5062&rep=rep1&type=pdf
Jeon, S. LPG Underground Storage Project (Y-2 Project) Underneath an Artificial Island in Incheon, Korea. http://docplayer.net/58842338-Underground-storage-project-underneath-an-artificial-island.html
Kim, D.-Y. Flexibilities of LNG Storage in Lined Rock Cavern (LRC) with High Operating Pressure. http://www.skec.co.kr/file_download/5.Flexibilities%20of%20LNG%20Storage…
Kruck, O. “Overview on all Known Underground Storage Technologies for Hydrogen”. 14.08.2013. https://www.fch.europa.eu/sites/default/files/project_results_and_deliverables/D3…
Ming, L. Rock engineering problems related to underground hydrocarbon storage. .Journal of Rock Mechanics and Geotechnical. Volume 2, Issue 4, 15 December 2010.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674775515300627
Park, E.-S. Innovative Method of LNG Storage in Underground Lined Rock Caverns. INTECH. 2012.http://cdn.intechopen.com/pdfs/40556/InTech-Innovative_method_of_lng_storage_in_
Pillai, R. CEO ISPRL. Safety Measures Adopted in Underground Cavern Storage of Crude Oil to Prevent Disasters. January 31, 2014
https://www.slideserve.com/havyn/safety-measures-adopted-in-underground-cavern-storage-of-
Rath, R. Underground Rock Caverns For Storage Of Hydrocarbons. CE&CR NOVEMBER 2008. 10/23/2008.http://www.engineersindia.com/Common/Uploads/DownloadsTemplate/128…
The Padur Cavern: a strategic reserve for the nation.
http://www.hccindia.com/whitepaper_pdf/2013/padur-cavern-november-2013.pdf
You, T. Oil Caverns. Risk mitigation through awareness and vigilance. 2013.
https://docslide.us/documents/oil-caverns.html
Транснефть. Подземные хранилища нефти. http://discoverrussia.interfax.ru/wiki/32/
Оригинал: http://7i.7iskusstv.com/y2019/nomer5/lkaufman/
