СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОДЗЕМНОГО РЕЗЕРВУАРА В МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ Российский патент 2008 года по МПК B65G5/00 

Предлагаемый способ создания подземного резервуара в мерзлых породах относится к подземному хранению жидких углеводородов, сжиженных газов в резервуарах, создаваемых в многолетнемерзлых породах, и может быть использовано при захоронении промышленных отходов, в частности буровых шламов.

Известен способ создания подземного резервуара в мерзлых породах для хранения жидких углеводородов, заключающийся в бурении скважины, установке в ней обсадной колонны труб, герметизации затрубного пространства путем его цементирования, формировании подземной выработки-емкости под избыточным давлением оттаиванием мерзлых пород в заданном интервале строительства с подъемом оттаявшего материала на поверхность вытеснением и поддержанием уровня воды в создаваемой выработке-емкости ниже верхней отметки заданного интервала строительства [1].

Недостатком этого способа является необходимость охлаждения обсадной колонны труб скважины для снижения оказываемого на нее при строительстве подземного резервуара теплового воздействия, которое может привести к оттаиванию пород вокруг обсадной колонны труб и потере герметичности подземного резервуара.

Известен также способ создания подземного резервуара для хранения жидких углеводородов, предусматривающий бурение скважины, установку в ней обсадной колонны труб, герметизацию затрубного пространства заполнением его водой, формирование подземной выработки-емкости путем водно-теплового оттаивания мерзлых пород в заданном интервале строительства с подъемом оттаявшего материала на поверхность насосом и поддержанием уровня воды в создаваемой выработке-емкости ниже верхней отметки заданного интервала строительства [2].

Недостатком указанного способа является необходимость теплоизоляции и охлаждения обсадной колонны труб в процессе создания выработки-емкости во избежание оттаивания пород за колонной и обрушения колонны труб в выработку-емкость.

Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности создания подземного резервуара за счет снижения затрат на теплоизоляцию обсадной колонны в процессе строительства и обеспечения более надежной герметизации затрубного пространства.

При этом достигается экономия средств на теплоизоляцию и герметизацию затрубного пространства скважины в процессе строительства подземного резервуара. Не требуется установка пакера в скважине при заполнении затрубного пространства герметизирующей смесью.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в способе создания подземного резервуара в мерзлых породах, включающем бурение скважины, установку в ней обсадной колонны труб, герметизацию затрубного пространства, формирование подземной выработки-емкости путем водно-теплового оттаивания мерзлых пород с подъемом их на земную поверхность и поддержанием уровня воды в интервале заложения выработки-емкости, согласно изобретению, установку обсадной колонны труб скважины производят по окончании формирования выработки-емкости, уровень воды в подземном резервуаре устанавливают и поддерживают над кровлей созданной выработки-емкости, герметизацию затрубного пространства скважины осуществляют после образования льда на поверхности воды в установленном уровне.

Отличием способа является также возможность герметизации затрубного пространства скважины путем послойного намораживания льда между обсадной колонной труб и стенками скважины.

Другим отличием способа является осуществление герметизации затрубного пространства заполнением его гидросмесью воды и осадочной породы.

Отличие способа выражается также в том, что герметизацию затрубного пространства производят оттаиванием пород на стенках скважины подачей в затрубное пространство теплоносителя с последующим заполнением верхней части указанного пространства поверхностным грунтом.

Установка обсадной колонны труб после формирования выработки-емкости устраняет необходимость проведения теплоизоляционных работ в скважине в процессе создания выработки-емкости подземного резервуара.

Подъем уровня воды в подземном резервуаре и поддержание его над кровлей созданной выработки-емкости (над интервалом ее заложения), а также осуществление герметизации затрубного пространства скважины после образования льда на поверхности поддерживаемого уровня воды способствуют созданию ледяной перемычки в нижней части обсадной колонны труб для последующего заполнения затрубного пространства герметизирующим материалом.

Герметизация затрубного пространства посредством послойного намораживания льда (первый вариант герметизации) позволяет, с одной стороны, выполнять эту работу наиболее экономичным способом, а с другой - обеспечивать надежную герметизацию затрубного пространства, исключающую наличие незамерзших участков герметизирующего материала.

Проведение герметизации затрубного пространства заполнением его гидросмесью воды и породы (второй вариант герметизации) производится в наиболее короткие сроки при одновременном увеличении сцепления между обсадной колонной труб и вмещающими выработку-емкость породами.

В третьем варианте герметизации затрубного пространства скважины, производимой посредством оттаивания пород на стенках скважины при подаче теплоносителя в затрубное пространство с последующим заполнением его верхней части поверхностным грунтом, обеспечиваются наиболее качественная герметизация и возможность использования средств механизации в этом процессе.

На фиг.1, 2, 3 и 4 схематически показаны основные этапы осуществления способа создания подземного резервуара в мерзлых породах через скважину с возможными вариантами герметизации ее затрубного пространства.

На фиг.1 представлена принципиальная схема осуществления способа на этапе формообразования выработки-емкости подземного резервуара в мерзлых породах через скважину.

На фиг.2 показан первый вариант герметизации затрубного пространства скважины путем послойного намораживания льда.

На фиг.3 изображен второй вариант герметизации затрубного пространства скважины с использованием гидросмеси воды и породы.

На фиг.4 показан третий вариант герметизации затрубного пространства скважины оттаиванием породы и заполнением верхней части затрубного пространства поверхностным грунтом.

В соответствии с изображением фиг.1 в скважине 1, пробуренной в мерзлых породах, установлено оборудование для создания выработки-емкости 2, включающее трубу 3 для подачи теплоносителя и подъемник 4, служащий для извлечения на поверхность земли гидросмеси оттаявшей породы. В процессе строительства подземного резервуара уровень воды 5 поддерживается в интервале заложения выработки-емкости 2. По окончании ее формирования, показанном на фиг.2, уровень воды 5 в подземном резервуаре поднимают и устанавливают над кровлей выработки-емкости 2 (над интервалом заложения), а в скважине 1 устанавливают обсадную колонну труб 6. Образуемое таким образом затрубное пространство между обсадной колонной труб 6 и стенками скважины 1 герметизируется.

Предлагаемый первый вариант герметизации затрубного пространства скважины 1, схематически изображенный на фиг.2, осуществляется за счет образования в указанном пространстве послойно замороженного льда 7.

Во втором варианте герметизации затрубного пространства скважины 1, показанном на фиг.3, в качестве герметика использована замороженная гидросмесь 8, состоящая из воды и вмещающей выработку-емкость 2 породы.

При осуществлении третьего варианта герметизации затрубного пространства скважины 1 (фиг.4) в упомянутое пространство вводится дополнительная труба 9, подающая теплоноситель для оттаивания мерзлой породы на стенках скважины 1.

Способ осуществляется следующим образом.

С поверхности земли бурят скважину 1, в которую монтируют трубу 3 и подъемник 4, в частности эрлифт (фиг.1). Для формирования выработки-емкости 2 подземного резервуара скважину 1 вначале заполняют водой, затем по трубе 3 в нижнюю часть скважины 1 подают теплоноситель, в качестве которого используют подогретую воду. Посредством теплоносителя производят постепенное водно-тепловое оттаивание мерзлых пород с созданием выработки-емкости 2. По мере увеличения ее объема уровень воды 5 в выработке-емкости 2 периодически понижают и поддерживают в интервале ее заложения. Оттаявшую породу в виде гидросмеси, непрерывно падающую под собственным весом на дно создаваемой выработки-емкости 2, подъемником (эрлифтом) 4 извлекают на поверхность земли. Посредством регулирования производительности подъема указанной гидросмеси на поверхность земли и уровня воды 5 управляют процессом формообразования выработки-емкости 2. По достижении проектных формы и объема выработки-емкости 2 уровень воды 5 смещают вверх и поддерживают над кровлей сформировавшейся выработки-емкости 2, а в скважине 1 демонтируют трубу 3, подъемник 4 и устанавливают обсадную колонну труб 6, показанную на фиг.2, 3, 4. После образования льда на поверхности воды 5 в установленном уровне производят герметизацию затрубного пространства скважины 1.

В соответствии с первым вариантом проведения герметизации, показанном на фиг.2, в затрубном пространстве скважины 1 ведут послойное намораживание льда 7, для чего в указанное пространство порционно заливают воду так, чтобы толщина слоя каждой залитой порции воды не превышала 10 см. Периодичность ее залива определяется временем замерзания каждого залитого слоя.

В соответствии со вторым вариантом герметизации затрубного пространства скважины 1, изображенном на фиг.3, указанное пространство заполняют гидросмесью воды и осадочной породы, в частности, в виде песка или суглинка. Затем гидросмесь породы в затрубном пространстве скважины 1 замораживают с достижением его герметичности.

По окончании второго варианта герметизации, при наличии небольшого зазора между обсадной колонной труб 6 и стенкой скважины 1, необходимая плотность заполнения затрубного пространства не может быть обеспечена. В этом случае применяют третий вариант герметизации, использующий теплоноситель для оттаивания вмещающей породы.

В соответствии с третьим вариантом герметизации, показанном на фиг.4, по дополнительной трубе 9, предварительно введенной в затрубное пространство скважины 1, подают теплоноситель, в качестве которого используют горячую воду или пар, посредством которых производят оттаивание породы на стенках скважины 1, после чего нижнюю часть затрубного пространства скважины 1 заполняют оттаявшей породой, а верхнюю - грунтом, подаваемым с поверхности земли бульдозером, что также позволяет механизировать сам процесс герметизации.

Пример осуществления способа создания подземного резервуара в мерзлых породах через скважину.

В соответствии с изображением фиг.1 строительство подземного резервуара осуществляется в отложениях льда. С этой целью в многолетнемерзлой породе с поверхности земли бурят скважину 1 диаметром 300 мм до подошвы пласта льда мощностью 20 м, залегающего в интервале глубин 30-50 м от поверхности земли. В скважину 1 монтируют трубу 3 диаметром 60 мм и подъемник 4, в качестве которого используют насос. После этого скважину 1 заполняют водой так, чтобы уровень воды 5 установился на глубине 31 м от поверхности земли. По трубе 3 подают пар в нижнюю часть скважины 1. В результате теплообмена происходит оттаивание льда с образованием выработки-емкости 2. Избыточную воду после оттаивания льда подъемником 4 (насосом) извлекают на поверхность земли. Для формирования устойчивого свода выработки-емкости 2 уровень воды 5 в ней постепенно понижают в интервале 30-50 м от поверхности земли периодическим откачиванием воды через подъемник (насос) 4. После создания подземной выработки-емкости 2 объемом 5000 м³ уровень воды 5 поднимают до отметки 29 м заливом воды по трубе 3. Трубу 3 и насос 4 в скважине 1 демонтируют и устанавливают обсадную колонну труб 6 (фиг.3). После замерзания льда на поверхности воды на уровне воды 5 образовавшееся затрубное пространство скважины 1 заполняют гидосмесью воды и песка. Замерзший внутри обсадной колонны труб 6 лед оттаивают паром и через подъемник 4 из выработки-емкости 2 откачивают воду на поверхность. На этом создание подземного резервуара завершают и приступают к его эксплуатации.

Источники информации

1. Аренс В.Ж., Брюховецкий О.С., Хчеян Г.Х. Скважинная гидродобыча угля. М., МГРА, 1995, с.26.

2. Казарян В.А. Подземные хранилища газа и нефтепродуктов - необходимый элемент функционирования ТЭК. М., ООО «Империал», 2006, с.110.

Изобретение относится к подземному хранению жидких углеводородов, сжиженных газов в резервуарах, создаваемых в многолетнемерзлых породах, и может быть использовано при захоронении промышленных отходов, в частности буровых шламов. Способ включает бурение скважины в вечномерзлых породах, установку в скважине обсадной колонны труб, герметизацию затрубного пространства, формирование выработки-емкости путем водно-теплового оттаивания мерзлых пород с подъемом пород на поверхность земли и поддержанием уровня воды в интервале заложения выработки-емкости. Согласно изобретению, установку обсадной колонны труб скважины производят по окончании формирования выработки-емкости, уровень воды в подземном резервуаре устанавливают и поддерживают над кровлей созданной выработки-емкости, герметизацию затрубного пространства скважины осуществляют после образования льда на поверхности воды в установленном уровне. Изобретение обеспечивает повышение эффективности создания подземного хранилища за счет снижения затрат на теплоизоляцию обсадной колонны в процессе строительства и обеспечения более надежной герметизации затрубного пространства. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ создания подземного резервуара в мерзлых породах, включающий бурение скважины, установку в ней обсадной колонны труб, герметизацию затрубного пространства, формирование выработки-емкости путем водно-теплового оттаивания мерзлых пород с подъемом пород на поверхность земли и поддержанием уровня воды в интервале заложения выработки-емкости, отличающийся тем, что установку обсадной колонны труб скважины производят по окончании формирования выработки-емкости, уровень воды в подземном резервуаре устанавливают и поддерживают над кровлей созданной выработки-емкости, герметизацию затрубного пространства скважины осуществляют после образования льда на поверхности воды в установленном уровне.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что герметизацию затрубного пространства скважины производят путем послойного намораживания льда между обсадной колонной труб и стенками скважины.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что герметизацию затрубного пространства скважины осуществляют заполнением его гидросмесью воды и осадочной породы.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что герметизацию затрубного пространства скважины производят оттаиванием пород на стенках скважины подачей теплоносителя с последующим заполнением верхней части указанного пространства поверхностным грунтом.