Способ контроля геомеханического состояния подземных резервуаров Российский патент 2025 года по МПК B65G5/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое техническое решение относится к способам геомеханического мониторинга и может быть использовано для контроля и оценки состояния подземных резервуаров, созданных в непроницаемых горных породах, и их взаимного влияния между собой.

Уровень техники

Профилактика и предупреждение опасных инцидентов и аварий, связанных с разрушением и разгерметизацией подземных резервуаров, таких как подземные хранилища углеводородов, токсичных и радиоактивных отходов, гелия и иных продуктов хранения является важной технической, экологической и социальной задачей. Для контроля состояния подземных резервуаров и профилактики возникновения аварий, связанных с поступлением в окружающую среду хранящихся в них веществ, проводятся геофизические исследования, геомеханические расчеты и иные работы, направленные на оценку и контроль технического состояния резервуара. Например, в соответствии с Рекомендациями Р Газпром 2-3.5-368-2009 [«Рекомендации по проведению диагностического обследования подземных резервуаров в каменной соли»] для оценки геомеханического состояния резервуара необходимо отбирать хранящийся продукт, извлекать подвесные колонны, проводить звуколокацию выработки-емкости и другие исследования методами геофизики, что вызывает финансовые потери, а кроме того, требует значительного времени. Изобретение направлено на снижение затрат и повышение оперативности проведения контроля геомеханического состояния подземных резервуаров и их взаимного влияния.

Известен способ контроля геомеханического состояния подземных хранилищ газа путем проведения геодинамического мониторинга на поверхности [Арутюнов А.Е., Грунин А.Г., Зубарев А.П., Кузьмин Ю.О., Никонов А.И., Осипов А.А., Полухина С.С. Горно-геологическое обоснование и проектирование геодинамических полигонов на подземных хранилищах газа на примере Касимовского ПХГ. // Маркшейдерский вестник. - 2012, №4. С. 43-50]. Согласно данному способу, геодинамический мониторинг на подземных хранилищах газа осуществляется на специальных полигонах с проведением маркшейдерских наблюдений за процессом сдвижения земной поверхности с последующим построением графиков оседания, по которым оценивается геомеханическое состояние хранилища.

Недостатком известного способа является высокая трудоемкость выполнения наблюдений и низкая достоверность получаемых оценок о геомеханическом состоянии подземных резервуаров, поскольку начальный период развития опасных деформаций трудно обнаружить из-за их незначительного влияния на состояние земной поверхности.

Наиболее близким способом (прототипом) контроля геомеханического состояния подземных резервуаров является способ эколого-геохимических исследований подземных хранилищ, включающий закладку профилей на земной поверхности и проведение измерений концентрации подпочвенных газов в точках, находящихся на этих профилях [Гафаров Н.А., Хан С.А., Деркач А.С., Шулаев В.Ф., Глаз С.Г. Эколого-геохимические исследования подземных хранилищ газа. // Газовая промышленность. - 2008, №8. С. 68-71]. Измерения проводятся периодически с интервалом 3 года. По концентрации в почвенном воздухе хранящихся в хранилище газов судят о геомеханическом состоянии резервуара: герметично при концентрации хранящихся газов не выше фоновой и разгерметизация - при высоких концентрациях хранящихся газов. В случае выявления негерметичности хранилища подпочвенную газовую съемку выполняют ежегодно. Недостатком известного способа является ограниченность получаемой информации о геомеханическом состоянии подземных резервуаров, так как о разгерметизации подземного резервуара судят только в случае обнаружения в почвенном воздухе хранящихся газов. Фаза контроля наступления опасной ситуации упускается, что снижает оперативность и ценность мониторинга.

Техническим результатом предлагаемого способа является снижение затрат и повышение оперативности и прогностической ценности проведения контроля геомеханического состояния подземных резервуаров и их взаимного влияния.

Раскрытие сущности изобретения

На изучаемой площади выполняют измерения концентрации почвенных газов, в том числе радона и торона, в точках, расположенных вдоль заранее намеченных профилей, пересекающих место расположения подземного хранилища и имеющих длину не менее двухкратной глубины расположения резервуаров. Предварительно определяют фоновый уровень радон-торонового поля. По зафиксированным аномальным значениям определяют расположение в породном массиве зон его деструкции (предельно напряженного состояния) вокруг резервуара. При одновременной фиксации концентраций радона и торона в почве глубину расположения источника их эмиссии устанавливают на основе учета различия периодов полураспада. В результате строят карты и разрезы с выделением зон предельно напряженного состояния породного массива вокруг резервуара, по расположению которых судят о его геомеханическом состоянии и оценивают взаимное влияние соседних резервуаров. Сравнение контуров аномалий радон-торонового поля с фоном и материалами предыдущих съемок позволяет отслеживать динамику развития зон предельно напряженного состояния породного массива.

Реализация способа основана на физическом явлении эмиссии содержащихся в горной породе газов, в том числе радиоактивных радона и торона, при ее разрушении, т.е. росте трещин. Как известно, на большой глубине напряжения в породном массиве вокруг подземных выработок превышают прочность пород на одноосное сжатие, поэтому вокруг выработок создаются зоны предельно напряженного состояния, являющиеся зонами деструкции породного массива. Выделяющиеся из деформируемой области радиоактивные и другие газы, ранее заключенные в закрытых порах и трещинах, мигрируют в сторону земной поверхности, где могут быть зафиксированы в подпочвенном воздухе при газовой съемке. При одновременной фиксации концентраций радона и торона в почве глубина расположения источника их эмиссии может быть установлена на основе учета различия периодов их полураспада (Диваков В.И. Метод микрогеодинамических исследований - новый метод в геологии // Вестник Российского Университета дружбы народов, сер. Геол. и разв. пол. ископ. М., РУДН. - 1996. - С. 71-79). Таким образом, при проведении газовой съемки с одновременной фиксацией радона и торона возможно определять пространственное положение в трехмерном пространстве зоны предельно напряженного состояния породного массива пород вокруг резервуара, по геометрическим очертаниям которой контролировать его геомеханическое состояние.

Двухкратное превышение длины профиля над глубиной подземного хранилища необходимо для четкой локализации зон деструкции породного массива вокруг резервуара и выявления наличия или отсутствия их связи с зонами предельно напряженного состояния соседних резервуаров и разломных зон.

Краткое описание графических материалов

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана схема расположения профилей, по которым производится газовая съемка.

Изображение на фиг. 1 включает проекцию подземных резервуаров на земную поверхность 1 и профили газовой съемки 2. Профили выступают за подземное хранилище на расстояние от скважин подземных резервуаров, равное глубине подземного хранилища, т.е. длина профиля у каждого резервуара равна двум его глубинам. Длина изображенного вертикально профиля равна двум глубинам подземного хранилища, длина изображенного горизонтально профиля равна двум глубинам подземного хранилища плюс расстояние между устьями скважин подземных резервуаров.

На фиг. 2 показаны результаты газовой съемки.

Изображение на фиг. 2 включает подземные резервуары 3, сооружаемые в отложениях каменной соли через скважины 4, земную поверхность 5, зону деструкции (предельно напряженного состояния) вокруг одного из подземных резервуаров 6, изображенного справа, график результатов радон-тороновой съемки 7 с аномалиями содержания радон-торона 8, расположенными над зонами деструкции подземного резервуара, изображенного справа.

Осуществление изобретения

На одном из подземных хранилищ территории стран СНГ резервуары для хранения газа созданы путем размыва через скважину выработок-емкостей в пласте каменной соли. Размеры выработок составляют 80 метров в диаметре и 100 метров по высоте. Резервуары находятся на глубине около 900 м. На такой глубине вертикальные напряжения S_B, рассчитанные по формуле S_B=γH (γ - средний объемный вес пород налегающей толщи, γ=21000 Н/м³, Н - глубина, м) составляют

S_B =γH =21000 × 900=18,9 МПа,

что может быть достаточно для перехода соляного массива в предельно напряженное состояние на стенках резервуара и его деструкции.

На поверхности земли намечены взаимно перпендикулярные профили длиной 1800 м, проходящие через устье скважины подземного резервуара. По данным газовой съемки, проведенной по профилям в точках измерения, находящихся на расстоянии 50 м друг от друга, пересекающих резервуары по их диаметрам, фиксируется фоновый уровень радиоактивности 200 Бк/м³ и аномальные значения выше 400 Бк/м³. В местах аномальных значений проводятся дополнительные измерения в точках на расстоянии 5-10 м друг от друга. По аномальным значениям радон-торонового поля в районе резервуара зафиксированы зоны деструкции, эмитирующие газы радон и торон.

Можно полагать, что вблизи резервуара сформировались зоны предельно напряженного состояния пласта каменной соли и вмещающих горных пород. Зоны предельно напряженного состояния имеют локальные размеры, не смыкаются с зонами предельно напряженного состояния от соседних резервуаров и разломных зон, что свидетельствует об удовлетворительной геомеханической обстановке в районе резервуара, но требует контроля дальнейшего развития ситуации в период эксплуатации.

Изобретение относится к способам геомеханического мониторинга подземных объектов и может быть использовано для контроля, оценки состояния и взаимного влияния подземных резервуаров углеводородов, токсичных и радиоактивных отходов, гелия и иных продуктов хранения, созданных в непроницаемых горных породах. Физической основой способа является эмиссия содержащихся в горной породе газов, в том числе радиоактивных радона и торона, при ее разрушении, т.е. при достижении предельно напряженного состояния и развитии трещин. На исследуемой территории проводится регулярно газовая съемка почвенных газов, в том числе радона и торона, по профильным линиям, пересекающим место расположения резервуаров вдоль их диаметров. Длина профильных линий не менее чем в два раза превышает глубину расположения контролируемых подземных объектов, что позволяет определять положение и контуры зоны предельно напряженного состояния вокруг подземного резервуара и по расположению и конфигурации этой зоны контролировать состояние и взаимное влияние подземных резервуаров во времени. Техническим результатом является повышение оперативности проведения контроля геомеханического состояния подземных резервуаров и их взаимного влияния. 2 ил.

Способ контроля геомеханического состояния подземных резервуаров, включающий закладку профилей на земной поверхности и проведение почвенной газовой съемки, отличающийся тем, что профили имеют длину не менее двухкратной глубины расположения резервуара, вдоль профилей в точках наблюдения измеряют концентрацию в почве радона и торона, определяют фоновый уровень радон-торонового поля и его аномалии, по ареалу которых фиксируют расположение в породном массиве зон его деструкции, перешедших в предельно напряженное состояние, как источников эмиссии радона и торона, сравнивают контуры радон-тороновых аномалий с контурами подземных резервуаров и контролируют их геомеханическое состояние и взаимное влияние соседних подземных резервуаров путем отслеживания динамики изменения во времени контуров аномалий при последующих съемках.