Способ создания подземной емкости

00 (1 З) А ЗУ (11) 1 51) 6 В 65 ЩР 0-". ЖИ ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН 12) митет Российской Федерации патентам и товарным знакам к авторскому свидетельству(56) Авторское свидетельство СССР Х802550, кл. В 656 5/00, 1981. Гаев А.Я.,Шугорев В.Д. и др. Подземные резервуары.Мл Недра, 1986, с.б 7-71.(54) СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОДЗЕМНОЙЕМКОСТИ(57) Изобретение позволяет повысить эффективность создания емкости в слабопроницаемых породах различной крепости. При этомстоимость емкости обьемом 30 - 50 тыс. муменьшится минимум на 25 - 40% (посравнению с традиционными способами), авремя сооружения на 20 - 25% (минимум).Для создания подземной емкости бурят скважину, обустраивают ее колоннами труб,на забой поочередно подают парогазовуюсмесь с массовой долей газа 3 - 12% итемпературой (Тл + 150)ТТкв, гдеТл - пластовая температура; Тр 373 Скритическая температура водяного пара и Офжидкости, при этом парогазовую смесьподают до прекращения выноса разрушеннойпороды и создания в емкости давления 0,05орастР Б Рл.г,с,где орасу - предел прочности пород на растяжение; Рв.г.с. - давление подаваемой парогазовой смеси; после чего в емкостьзакачивают жидкость до начала выносаразрушенной породы, Причем подачу парогазовой смеси ведут с постоянно увеличи- ьваемой температурой, 2 3. п, ф-лы,1табл 5 илИзобретение относится к горному делу,з более конкретно к способам создания подземных емкостейЦелью изобретения является повыше. ние эффективности создания емкости в сла- Ббопроницаемых породах,Нэ фиг, 1, 2 изображена схема реализации способа (на поз, 1 - скважина (обсаднаяколонна); поз, 2 -массив слабапроницаемых пород; нв фиг. 3 - дополнительный став 10труб, поз. 4 - центральный став труб; поэ. 5- вмещающие породы (ближняя зона); поз,6 - разрушенная порода; поз. 7 - каналвыноса породы; поэ. 8 - создаваемая емкость(каверна, камера); поз, 11 - откольные 15трещины; на фиг. 3, 4 - действие способа настенку емкости (кэмеры, каверны) (на поэ. 9- стенка емкости (каверны), поз. 8 - создаваемая емкость, поз, 10 - поры, каналы итрещины в массиве имеющихся пород, поэ, 2011 - откольные трещины, паэ, 5 - вмещающие породы (ближняя зона; нэ фиг, 5 -изменение состояния вадянага пара при нагнетании его в камеру, (На паз, 12 изображен процесс его драсселиравзния в стенках 25камеры, поз. 13 - изменение параметров вмассиве, поз, 14 - процесс конденсации нзстадии охлаждения камеры).Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом, 30С поверхности бурится скважина 1 вглубь массив слабопраницаемых пород 2,скважина обустраивается (снабжается двумя ставами труб 3 и 4 и обсадной колонной.Причем, оба става труб, центральный 4 и 35дойолнительный 3, эзвешивэются посредством бурового станка. По центральномуставу труб 4 на забой подается парагаэоваясмесь, содержащая мзссовую долю газа 3 -12 от массы смеси, Температура смеси не 40менее чем на 150 С выше пластавай. В кодеподачи смеси ее температуру постепенноповышают от параметра насыщения да 320373 С. В процессе подачи смеси происходит нагрев вмещающих пород 5 и вынос 45разрушенной ранеЕ породы 6. После прекращения выноса породы перекрывают канал выхода смеси (канал выноса породы впредлагаемом случае - межтрубнае пространство) 7 и создают в емкости 8 давление 50(если ано не создана в процессе выносаразрушенной породы), определяемое из соотношения: 0,05 арс,РРя,г.с. (в зависимости от типа пород), где ора,т. - пределпрочности парад на растяжение, Р,с, - 55давление подаваемой парогазовой смеси,Парогазовую смесь подают да созданияуказанного давления, но не менее 6-12 ч,после этого открывают канал выноса лороды и подают в емкость жидкость (воду пресную. соленую, техническую, возможно рапу), да начала выноса вновь обрушенной породы, Причем, толщину обрушаемого слоя пород и крупность куска разрушенного материала регулируют скоростью подачи первой части воды в количестве 11-15 от массы находящегося в емкости пара, затем емкость недлительно выдерживают (несколько минут) и подают воду до начала выноса обрушенной породы, Операции повторяют до достижения емкостью необходимого объема. Эпизодически проводят контроль по определению объема емкости. Контроль проводится посредством измерительной линии по одной из известных методик.Минеральные среды необратимо меняют свои прочностные свойства при воздействии на них перепадов температур. Для различных пород перепад температур, вызывающий появление аткальных трещин, составляет от 30 - 40 да 120 - 2 БО С,Однако, учитывая что подавляющая часть пород слоиста, необходимо создавать перепады температур, обеспечивающие образование аткальных трещин у вСех встречающихся в точке строительства пород. Согласно имеющимся данным (наблюдения эа состоянием емкостей созданных взрывам) наибольший эффект дает длительное нагревание да температуры на 150 С выше пластавай и выше с выравниванием и стабилизацией поля температур в прикантурной зоне забойного пространства и последующее эа нагреванием достаточно быстрое охлэждение. Однако, само па себе наличие трещин, ослабляющих породу, не является достаточным для обрушения части пород, отсеченной ат мзссивэ трещинами, внутрь создаваемой каверны, Причем нагрузка, необходимая для отрыва отсеченной части парад, зависит ат физико-механических свойств парад, геометрических параметров выработки и напряженного состояния массива вмещающих парад, Величина нагрузки может колебаться, в зависимасги от условий, в пределах 0,05-0,2 величины предела прочности пород на растяжение. С увеличением геометрических размеров создаваемой емкости и с уменьшением толщины отрывного отсеченного слоя, величина нагрузки, необходимая для обрушения пород внутрь создаваемой емкости, будет уменьшаться (нахадиться в начальной части указанного диапазона), Толщина атсекэемого слоя реально зависит от величины перепада температур, теплафизических и физика-механических свойств пород, Толщина слоя взависимости от указанных характеристик может изменяться до 0,2 м.В предлагаемом способе необходимые; перепад температур и отрывающая нагрузка на отсеченный слой создаются посредством быстрого охлаждения парогазовой смеси, находящегося в емкости, посредством подачи в нее необходимого количества воды.Действие способа на вмещающие породы, таким образом, определено двумя основными процессами:образованием откольных и разрывных трещин в результате нагрева и последующего сравнительно быстрого охлаждения;обрушением отсеченной трещинами части пород внутрь каверны посредством проявляющегося в данных условиях "эффекта гейзера". "Эффект гейзера" возникает в результате обработки массива парогазовой смесью, в течение которой происходит, параллельно с нагревом пород нагнетание смеси в трещины и поры. При проникновении в массив парогазовой смеси пар из нее конденсируется. Происходит заполнение пор и трещин газожидкими включениями с давлением, равным давлению в состоянии равновесия (фазового состояния, давления, температуры). При сбросе давления и температуры в емкости, равновесие нарушается и, если скорость сброса давления и температуры в емкости оказываются существенно выше скорости разгрузки внутри трещин и пор, проявляется "эффект гейзера" - прогрессивно нарастающий во времени выброс газожидких включений с изменением из фазового состояния, сопровождающий отрывом отсеченной части по род(отрыв происходит из-за динамического удара, появляющегося в результате разгрузки двигающейся смеси на откольные трещины аэимутальной ориентации). Газ при этом выполняет следующую функцию:при фазовом переходе из пара в жидкость и после него в капилляре происходит насыщенное растворение газа в жидкости (так как из-за большой поверхности тепло- обмена тепло фазового перехода сравнительно быстро передается в породу).Растворенный и в меньшей степени свободный газ внутри включений, после начала движения их в сторону полости (после сброса давления и температуры внутри полости), попадая в другие термодинамические усло, вия, является ускорителем процесса движения включений к полости и обратного фазового перехода жидкости в пар, что создает необходимую динамику процессу выхода включений и, собственно, инициирует "эффект гейзера". А это в свою очередь ускоряет охлаждение массива и, соответственно, инициирует трещинообраэование(так как обьем тепла с пород на фазовыйпереход жидкость/пар происходит с нара 5 станием по мере продвижения включений вполости. Это обьясняется большими температурами пород и большими скоростямидвижения включений), Количественное соотношение пар/газ в парогазовой смеси оп 10 ределяется в первую очередь свойствамигаза (растворимостью, температурой дега зации жидкости, способностью повышатьдавление при нагревании после дегазациижидкости и т.д Из опыта эксплуатации15 подземных резервуаров следует, что наилучшим компонентом в данном случае является метан - его достаточно 3 от массысмеси, воздуха требуется 10 - 12 (для наиболее распространенных газов, реально мо- .20 гущих использоваться в данном способе, - .диапазон величин содержания газа в смеси3 - 12 от.массы смеси),Величина необходимого давления парогазовой смеси определяется тремя фактора 25 ми;величиной нагрузки отрыва отсеченнойчасти пород (0,05-0,2 величины пределапрочности пород на растяжение);величиной давления, необходимого для30 нагнетания парогазовой смеси в поры и трещины массива.Величина давления, необходимого длянагнетания парогазовой смеси в поры (трегдины) массива, определяется градиентом35 давления в поре (трещине) при нагнетаниив нее рабочего агента за определенный промежуток времени. При этом следует учитывать факторы двух ранее перечисленныхвзаимосвязанных процессов разрушения40 массива пород, а именно:время, отпущенное на нагнетание смеси в поры (трещины) должно быть не менеевремени прогрева поверхностного слоя породы (не менее 2-6 см) до температуры, по 45 зволяющей создать необходимый перепадтемператур;глубина нагнетания должна обеспечивать необходимый для отрыва отсеченнойпороды перепад давлений (между давлени 50 ем в создаваемой емкости и давлением впоре (трещине) - не менее 0.05-0,2 величинпредела прочности пород на растяжение);наиболее оптимальные (экономичные)режимы нагревания обеспечивают парога 55 зовую смесь с параметрами насыщения, но,одновременно с этим, для создания существенных перепадов температуры необходимо "гасить" большую часть пара (то есть,отбирать у системы пар/порода энергию,позволяющую провести фазовый переходиэ пара в жидкость). Это возможно провести стравливанием, сочетающимся с подачей воды. Расчеты и практические наблюдения за поведением пзрогаэовых смесей в емко стях, созданных мощными камуфлетными взрывами показывают, что это возможно при сравнительно малых объемах емкости (до 5 тыс. м) (при больших объемах реальная скорость "гашения" пара в емкости будет соизмерима со скоростью остывания поверхностного слоя и разгрузки пор (трещин) и достичь необходимого перепада температур и давления не удается).Сухая парогаэовая смесь обладает свойством гораздо проще переводиться нэ другие режимы, Это обьясняется тем, что при "гашении" пара водой до точки насыщения можно полностью использовать все энергетические потребности жидкости для перевода ее в пар с параметрами насыщения.При сбросе воды в создаваемую емкость необходимые для разрушения горных пород процессы находятся в соответствующей последовательности, Тзк, в начале сброса воды в емкость, до момента перевода всей парогазовой смеси до параметров насыщения, в емкости будут наблюдаться."падение температуры;возрастание давления.Скорость подачи этой первой части воды по расчетам и согласно опыта эксплуатации емкостей, созданных мощными взрывами, равной 11-15 от массы находящегося в емкости пара, определяет интенсивность сброса температуры внутриемкости и, следовательно, толщину отсекаемого слоя и крупность породных кусков в обрушенной массе.Рост давления( 14-20) в емкости вызывает в свою очередь увеличение давления и температуры внутри микрокапилляров на участках отстоящих от поверхностного слоя емкости (1-3 см), В приконтурной зоне возникают текущие переменные нагрузки. При дальнейшей подаче воды падение давления и температуры будут происходить параллельно.Анализ совокупности перечисленных факторов, лабораторные исследования и практические наблюдения за поведением парогазовой смеси и пород в емкостях, созданных мощными камуфлетными взрывами, позволили сделать вывод о границах применимости данного способз и определить основные характеристики режимов подачи парогазовой смеси.Данный способ применим в массиве слэбопроницэемых пороу с коэффициентом проницаемости Кп - 10 -10 Дарси (соот ветствует слэбопроницаемым породам со- гласно классификации пород по проницаемости). Это объясняется тем, что при меньших коэффициентах проницаемости, 5 свойственных упругоплэс 4 тическим породам(например, солям Кп - 10 и менее) глубина проникновения смеси в поры (трещины) при оптимальных для нагрева и охлаждения дэв 10 15 ЗО вышающей величину толщины отсекаемого слоя породы (до 0,2 м), и достаточной для симости ат проницаемости). Причем, следует отметить, что значительное (более 40 чем в 1,5 раза) увеличение давления, обус 45 сле сбора в нее воды, или наличиепротиводавления в порах (трещинах) при последующих операциях, что снижает зф 50 55 20 25 лениях за реальные сроки (до нескольких суток). будет меньше глубины расположения откольных трещин, кроме того, при столь низких коэффициентах проницаемо-. сти (э, следовательно, и малых сечениях микрокапилляров) невозможно достичь их динамической разгрузки, а, следовательно, и "эффекта гейзера". Применение этого способа в соляных породах экономически оправдано, только в случае наличия в породе скелета не разрушаемого постоянным током смеси,При больших коэффициентах проницаемости (10 и более) "эффекта гейзера" достичь не удается из-за больших скоростей разгрузки пор (трещин) соизмеримых со скоростями сброса давления внутри емкости (при реальных значениях диаметров скважины), Для слабопроницаемых пород, для получения глубины проникновения смеси, препоявления "Эффекта гейзера", за время не менее 6-12 часов (время прогревания смесью поверхностного слоя породы в широких диапазонах температур, согласно расчетам проведенным по известной методике, достаточно давление 8-35 атм (в эавилавливает проникновение смеси на большую глубину, чем может динамически разгрузиться и, следовательно. обуславливает или длительную выдержку емкости пофективность способа.Поэтому, оптимальные границы применимости данного способа по величине предела прочности пород на растяжение находятся в пределах (30 - 40)-(120-130) КГс/см, что соответствует породам с коэффициентом крепости по Протодьяконову М.М.При выборе необходимого режима операций при создании емкости, кроме перв- численных ранее факторов следует учитывать, что необходимо выносить разрушенную породу на поверхность. Вынос породы осуществляется парогазовой смесью по кольцевому зазору между центральной и дОполнительной колоннами. Оптимально проводить данный процесс параллельно процессу нагрева пород и нагнетания смеси в поры (трещины),Так как осуществляется вынос мокрой . породы, (не пульпы и не сухой породы(влажность которой не должна быть выше 1-2), то определяющими для этого процесса будут две взаимосвязанные величины; скорость подъема породогазовой струи и расход газа (парогазовой смеси). Данные величины зависят от режима движения струи (породогазовой). Еслиудается поддерживать режим не разрушенной (не расслаившейся) струи, то на 1 кг парогазовой смеси приходится до 30-70 кг выносимой породы. Однако, достичь этого практически не возможно, особенно при маленьких диаметрах каналовс неровными поверхностями, При разрушенных струях расход возрастает в 6 - 10 раз, что отмечается и в литературе. Поэтому определить четкие диапазоны расхода парогазовой смеси для всех диаметров и длин скважин не представляется возможным. Скорость движения парогазовой струи должна быть выше критической, равной 10-40 м/с (в зависимости от свойств выносимого материала, эквивалентного диаметра и состояния стенок канала выноса), Расход парогазовой смеси определяется в каждом конкретном случае экспериментально, путем изменения ее подачи и определения количества выносимой породы (резко выраженного увеличения количества выносимой породы). Если на данный максимум выйти не удается, тогда расход следует устанавливать из соотношения 6 - 8 кг породы на 1 кг пара. При экспериментальных работах начинать следует с расходов, соответствующих максимальной из указанного диапазона движения скоростей. Если давление парогазовой смеси, применяемое для нагрева пород, не позволяет выносить разрушенную породу достаточно эффективно, следует увеличить давление до потребной величины на период выноса разрушенной породы, а затем корректировать давление согласно потребностям разрушения вмещающих пород,В целом же процесс нагрева пород и нагнетания парогазовой смеси в поры и трещины экономически более выгодно вести при постепенном повышении температуры смеси от параметров насыщения до, соответственно, 320 - 373 С. Это определяется свойствами пара и теплофизическими свойствами пород, Время процесса нагрева и нагнетания смеси в трещины и поры, в целом, определяется возможностями закачной системы, но не должно бытьменьше 6 - 12 ч (в зависимости от проницаемости),5 П р и м е р, Для технико-экономическойоценки способа, воспользуемся данными поодной из площадок предполагаемого строительства подземного хранилища-могильника высокотоксичных отходов. Рабочая10 толща представлена порфиритами и перекрыта глинистыми отложениями, являющимися региональным водоупором.Глубина залегания кровли рабочей толщи 350 м от дневкой поверхности, толща15 выдержана по простирэнию и прослеженана глубину до 2000 м, Проницаемость выбранного блока (1-5)х 10 Дарси, Блок находится в зоне застойного водообменэ.Пластовая температура в точке заложения20 Д 5 С. Коэффициент. крепости слагающихблок пород 12 по М.М.Протодьяконову. Рекомендуемая глубина заложения емкости600 м, необходимый объем 30 тыс.м, В масзсив бурится скважина на глубину 620 м и25 снабжается обсадной колонкой Я 420 мм, вкоторую спускается дополнительная колонна труб О 324 мм, В дополнительную колонну труб помещают центральный став труб0150 мм. По центральному стеву труб на30 забой подают парогээовую смесь с расходом 20 т/ч, содержащую 10 воздуха. Давление парогазовой смеси 20 ати, атемпература меняется в течение 8 ч от 210до 350 С.35 В процессе подачи парогазовой смесипроисходит вынос обрушенной породы судельным расходом на 1 кг парэ 7 кг породы,После окончания выноса породы выходнойканал(канал выноса породы) перекрывается40 и в емкости создают давление 18 ати и,открыв канал выноса породы, нагнетают вемкость воду двумя порциями: 1-ая - судельным расходом 1500 л/тыс.м объемаземкости и, после выдержки 20 мин, 2-ую45 порцию до начала выноса породы из емкости (удельный расход 12000-14000 л/тыс,м3объема. емкости). Операции повторяют додостижения емкостью необходимого объема 30 тыс.м, контролируемого по известной50 методике. Данный способ создания подземныхемкостей позволит повысить эффективность ее строительства в слабопроницае мых породах различной прочности802500 длительного процесса образования перво- хранилища или узла по их переработке, начальной камеры, избежать необходимо- Сводные сведения, характеризующие предсти строительства пульпо(рассоло)- лагаемый способ, приведены в таблице. я ео п,1, отличающ парогазовой смесиувеличиваемой те 3, Способтем, что подачудут с постоя ннратурой,а еФормула изобретения. 1. СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОДЗЕМ-.НОЙ ЕМКОСТИ, включающий бурениескважины, оснащение ее колоннамитруб, подачу на забой рабочего агентадля разрушения вмещающих горных пород и выдачи.их по скважине на поверхность, отличающийся тем, что, сцелью повышения эффективности созда- .ния емкости в слабопроницаемых породах посредством -создания во вмещающих породах переменных нагрузок, вкачестве рабочего агента на забой подают парогазовую смесь с температурой:(Тпл + 150 С)ТТкр,где Тпл - пластовая температура;Ткр - 373 С - критическая температур водяного пара и воды,при этом парогаэовую смесь подают до прекращения выноса разрушенной породы и создания в емкости давления,: определенного из соотношения0,05 гграст. Р 5 Рп.г.сгде ггрест. - предел прочности пород на растяжение, Рп.г.с - давление подаваемой парогазовой смеси, после чего в емкость эакачивают жидкость до начала выноса разрушенной породы.2, Способ по п.1, отличающийсятем, что масса газа в парогазовой сме,си составляет 0,03 - 0,12 общей массысмеси,1802500 ллроглеолле Врлтавоенееь оле- еолля не ч Подписно аз 230 я наб 4/Б ауогазоааяеюеоьв Составитель Н. Руденко,Техред М,Моргентал Корректор А, Обручар Тираж НПО "Поиск" Роспате13035, Москва, Ж-З 5, Рауш оизводственно-издательский комбинат "Патент", г,. Ужгород, ул,Гагарина, 10