Геомеханическое обоснование экологической безопасности подземных хранилищ, созданных ядерными взрывами в отложениях каменной соли

Актуальность работы. Доля газонефтепродуктов составляют до 80% в топливно-энергетическом балансе России. Вместе с тем, для территории России характерна географическая разобщенность районов добычи и максимального потребления газонефтепродуктов, а также неравномерный характер потребления, что требует их резервирования. При значительных объемах хранения и повышенных требованиях к надежности и экологической безопасности, а также с учетом экономической эффективности подземные хранилища являются более перспективными по сравнению с традиционными металлическими резервуарами, о чем свидетельствует накопленный мировой опыт.

В послевоенный период в отечественной и зарубежной практике подземного резервуаростроения появилась новая технология — сооружение хранилищ подземными ядерными взрывами в отложениях каменной соли. Технико-экономические оценки показывают, что затраты на сооружение 1 м подземного резервуара по этой технологии снижаются с увеличением мощности заряда и для мощности 100 — 500 кт составляют 8−3 долл. США, что значительно ниже затрат по другим технологиям. При этом доля эксплуатационных затрат в общем балансе несколько выше.

Последнее объясняется тем, что основные технические и экологические проблемы при ядерно-взрывной технологии возникают не при создании подземных резервуаров, а при их эксплуатации, консервации и последующей ликвидации в случае необходимости, о чем свидетельствует отечественный опыт функционирования созданных по ядерно-взрывной технологии подземных хранилищ на объектах «Магистраль», «Сапфир» и «Вега» на Оренбургском и Астраханском газоконденсатных месторождениях. Повышенная конвергенция и потеря устойчивости выработок-емкостей вследствие быстроразвивающихся геомеханических процессов деформирования и разрушения окружающего соляного массива приводят к вытеснению находящегося в выработках радиоактивного наполнителя, что грозит радиоактивным заражением окружающей среды.

В связи с этим возникает актуальная задача научного обоснования технических разработок по обеспечению геомеханической стабилизации и экологической безопасности подземных хранилищ, созданных ядерными взрывами, что будет способствовать решению важных прикладных задач по безопасной эксплуатации, консервации и ликвидации подземных хранилищ газонефтепродуктов.

Цель работы заключается в разработке и научном обосновании рекомендаций по обеспечению геомеханической стабилизации и экологической безопасности подземных хранилищ, созданных ядерными взрывами в отложениях каменной соли.

Основная идея работы состоит в использовании результатов анализа всего предшествующего процесса деформирования и разрушения вмещающего соляного массива при ядерно-взрывном сооружении подземных хранилищ для определения экологически безопасных параметров технологических режимов их эксплуатации, консервации и ликвидации.

Методы исследований включают: анализ существующих теоретических и экспериментальных исследований геомеханических процессов и радиационной обстановки при эксплуатации и консервации подземных резервуаров, созданных по ядерно-взрывной технологиичисленные методы математического моделирования геомеханических процессов вокруг подземных выработок-емкостей при их сооружении и эксплуатацииметоды регрессионного анализа для обработки результатов численного моделирования и разработки рекомендаций по обеспечению геомеханической стабилизации вмещающего соляного массиваэкспериментальные исследования радиационной обстановки в режиме радиационного мониторинга в районе расположения подземных резервуаров, созданных по ядерно-взрывной технологии.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

1. В соляно-купольных структурах, окруженных более жесткими породами, начальное напряженное состояние массива является неравнокомпо-нентным с коэффициентом бокового распора 0.38, что практически не отличается от коэффициента бокового распора 0.43 пластовых залежей, соответствующего гипотезе А. Н. Динникав этих условиях после подземного ядерного взрыва в каменной соли образуется полость и область техногенной трещиноватости, имеющие форму эллипсоидов вращения с соотношением размеров по вертикальной и горизонтальной осям 1.4 для полости и 1.5 для области трещиноватости.

2. Геомеханическое состояние соляного массива, вмещающего выработку-емкость, созданную ядерно-взрывным способом, характеризуется более высоким уровнем геомеханических процессов разрушения и конвергенции вплоть до полной потери ее свободного объема по сравнению с традиционным способом подземного выщелачиванияпоэтому для проектирования технологических режимов эксплуатации, консервации и ликвидации в таких выработках-емкостях наиболее показательным является прогнозирование зависимости свободного объема выработки-емкости от величины противодавления наполнителя и продолжительности технологического режима.

3. Внутритрубное пространство технологических скважин подземных резервуаров, созданных ядерными взрывами в отложениях каменной соли, следует считать в настоящее время наиболее реальным открытым и, вместе с тем, управляемым каналом миграции радионуклидов в окружающую среду, что облегчает задачу по ликвидации подземных емкостей и радиационному контролю, который должен быть организован по системе мониторинга.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждаются:

— использованием апробированных методов механики деформируемого твердого тела для анализа геомеханических процессов;

— удовлетворительной согласованностью расчетных оценок и экспериментальных замеров конвергенции и объемов разрушения вмещающего соляного массива;

— использованием стандартных методик и экспериментального оборудования для радиационного контроля;

— положительными результатами внедрения радиационного мониторинга на объекте «Вега» Астраханского газоконденсатного месторождения (ГКМ).

Научное значение диссертации состоит в дальнейшем развитии существующих представлений о геомеханических процессах вокруг выработок-емкостей в каменной соли, созданных ядерными взрывами, и сопутствующих им процессах миграции радионуклидов.

Практическая ценность работы заключается в разработке рекомендаций по определению экологически безопасных параметров технологических режимов эксплуатации, консервации и ликвидации подземных емкостей, созданных по ядерно-взрывной технологии, и их радиационному мониторингу.

Реализация выводов и рекомендаций работы состоит в их использовании при разработке «Технико-экономических соображений по выполнению комплексных научно-исследовательских, проектных и ликвидационно-изоляционных работ при закрытии объекта «Вега» и «Рабочего проекта системы радиационного мониторинга на объекте «Вега» на Астраханском ГКМ.

Апробация работы. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы докладывались на научно-техническом совете ООО «Подземгазпром» (1999 г., 2000 г., 2001 г.), заседании Круглого стола «Неделя горняка» в МГГУ (2000 г.), кафедре ФГПиП МГГУ (2001 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано три печатных работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит список литературы из 70 наименований, 23 рисунка и 34 таблицы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технические разработки по обеспечению геомеханической стабилизации и экологической безопасности подземных хранилищ, созданных ядерными взрывами, что способствует решению важных прикладных задач по безопасной эксплуатации, консервации и ликвидации подземных хранилищ газонефтепродуктов.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем:

1. Начальное напряженное состояние массива в соляно-купольных геологических структурах является неравнокомпонентным с коэффициентом бокового распора около 0.4 и практически не отличается от начального напряженного состояния пластовых структур.

2. Образующаяся в результате ядерного взрыва область первичной техногенной трещиноватости радиального направления, имеющая эллипсоидальную форму, обладает повышенной деформативностью и пониженной прочностью в приконтурной зонев результате решения обратной геомеханической задачи установлено 50% снижение прочности массива и такое же увеличение его деформируемости в приконтурной зоне.

3. Образующаяся в результате ядерного взрыва первичная эллипсоидальная полость в последующем при отсутствии противодавления наполнителя интенсивно разрушается вплоть до полной потери свободного объема, как это зафиксировано на объекте «Вега», для которого прогнозный срок службы выработок-емкостей без наполнителя составляет 17−20 лет.

4. Наличие наполнителя и создаваемого им противодавления в выработке-емкости меняет картину геомеханических процессов в направлении снижения их интенсивностипрогнозные оценки развития геомеханических процессов для объекта «Вега» показывают, что при величине противодавления в выработках-емкостях около 18 МПа может наступить состояние геомеханической стабилизации.

5. Результирующей характеристикой геомеханических процессов в окружающем выработку-емкость соляном массиве является зависимость величины ее свободного объема от величины противодавления и продолжительности поддержания свободного объема, которая вместе с тем является основной технологической характеристикой, определяющей параметры технологических режимов эксплуатации, консервации и ликвидации подземной емкости.

6. Концепция геомеханической стабилизации и экологической безопасности строится на анализе технологических режимов и сопровождающих их геомеханических процессов, определяющих процессы и каналы миграции радионуклидов в водоносные горизонты и окружающую среду, контроль за состоянием которых должен быть организован по системе радиационного мониторинга.