СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОДЗЕМНОЙ ЕМКОСТИ Советский патент 1996 года по МПК B65G5/00 

Изобретение относится к горному делу, а более конкретно к способам создания подземных емкостей.

Целью изобретения является повышение эффективности создания емкости в слабопроницаемых породах.

На фиг. 1, 2 изображена схема реализации способа (на поз. 1 скважина (обсадная колонна); поз. 2 массив слабопроницаемых пород; на фиг. 3 дополнительный став труб, поз. 4 центральный став труб; поз. 5 вмещающие породы (ближняя зона); поз. 6 разрушенная порода; поз. 7 канал выноса породы; поз. 8 создаваемая емкость (каверна, камера); поз; 11 откольные трещины; на фиг. 3, 4 действие способа на стенку емкости (камеры, каверны) (на поз. 9 стенка емкости (каверны), поз. 8 создаваемая емкость, поз. 10 поры, каналы и трещины в массиве имеющихся пород, поз. 11 откольные трещины, поз. 5 вмещающие породы (ближняя зона); на фиг. 5 изменение состояния водяного пара при нагнетании его в камеру. (На поз. 12 изображен процесс его дросселирования в стенках камеры, поз. 13 изменение параметров в массиве, поз. 14 процесс конденсации на стадии охлаждения камеры).

Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом.

С поверхности бурится скважина 1 в глубь массива слабопроницаемых пород 2, скважина обустраивается (снабжается двумя ставами труб 3 и 4 и обсадной колонной. Причем, оба става труб, центральный 4 и дополнительный 3, завешиваются посредством бурового станка. По центральному ставу труб 4 на забой подается парогазовая смесь, содержащая массовую долю газа 3-12% от массы смеси. Температура смеси не менее чем на 150^оС выше пластовой. В ходе подачи смеси ее температуру постепенно повышают от параметра насыщения до 320-373^оС. В процессе подачи смеси происходит нагрев вмещающих пород 5 и вынос разрушенной ранее породы 6. После прекращения выноса породы перекрывают канал выхода смеси (канал выноса породы в предлагаемом случае межтрубное пространство) 7 и создают в емкости 8 давление (если оно не создано в процессе выноса разрушенной породы), определяемое из соотношения: 0,05 σ_раст.<P≅ Р_п.г.с. (в зависимости от типа пород), где σ_раст. предел прочности пород на растяжение, Р_п.г.с. давление подаваемой парогазовой смеси.

Парогазовую смесь подают до создания указанного давления, но не менее 6-12 ч, после этого открывают канал выноса породы и подают в емкость жидкость (воду пресную, соленую, техническую, возможно рапу), до 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 откольных трещин, составляет от 30-40^о до 120-250^оС.

Однако, учитывая что подавляющая часть пород слоиста, необходимо создавать перепады температур, обеспечивающие образование откольных трещин у всех встречающихся в точке строительства пород. Согласно имеющимся данным (наблюдения за состоянием емкостей созданных взрывом) наибольший эффект дает длительное нагревание до температуры на 150^оС выше пластовой и выше с выравниванием и стабилизацией поля температур в приконтурной зоне забойного пространства и последующее за нагреванием достаточно быстрое охлаждение. Однако, само по себе наличие трещин, ослабляющих породу, не является достаточным для обрушения части пород, отсеченной от массива трещинами, внутрь создаваемой каверны. Причем нагрузка, необходимая для отрыва отсеченной части пород, зависит от физико-механических свойств пород, геометрических параметров выработки и напряженного состояния массива вмещающих пород. Величина нагрузки может колебаться, в зависимости 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 (находиться в начальной части указанного диапазона). Толщина отсекаемого слоя реально зависит от величины перепада температур, теплофизических и физико-механических свойств пород. Толщина слоя в зависимости 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 пород (отрыв происходит из-за динамического удара, появляющегося в результате разгрузки двигающейся смеси на откольные трещины азимутальной 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 теплообмена 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 условия, 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 трещинообразование (так как объем тепла с пород на фазовый переход жидкость/пар происходит с нарастанием по мере продвижения включений в полости. Это объясняется большими температурами пород и большими скоростями движения включений). Количественное соотношение пар/газ в парогазовой смеси определяется в первую очередь свойствами газа (растворимостью, температурой дегазации жидкости, способностью повышать давление при нагревании после дегазации жидкости и т.д.). Из опыта эксплуатации подземных резервуаров следует, что наилучшим компонентом в данном случае является метан его достаточно 3% от массы смеси, воздуха требуется 10-12% (для наиболее распространенных газов, реально могущих использоваться в данном способе, диапазон величин содержания газа в смеси 3-12% от массы смеси).

Величина необходимого давления парогазовой смеси определяется тремя факторами:
величиной нагрузки отрыва отсеченной части пород (0,05-0,2 величины предела прочности пород на растяжение);
величиной давления, необходимого для нагнетания парогазовой смеси в поры и трещины массива.

Величина давления, необходимого для нагнетания парогазовой смеси в поры (трещины) массива, определяется градиентом давления в поре (трещине) при нагнетании в нее рабочего агента за определенный промежуток времени. При этом следует учитывать факторы двух ранее перечисленных взаимосвязанных процессов разрушения массива пород, а именно:
время, отпущенное на нагнетание смеси в поры (трещины) должно быть не менее времени прогрева поверхностного слоя породы (не менее 2-6 см) до температуры, позволяющей создать необходимый перепад температур;
глубина нагнетания должна обеспечивать необходимый для отрыва отсеченной породы перепад давлений (между давлением в создаваемой емкости и давлением в поре (трещине) не менее 0,05-0,2 величин предела прочности пород на растяжение);
наиболее оптимальные (экономичные) режимы нагревания обеспечивают парогазовую 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 переход из пара в жидкость). Это возможно провести стравливанием, сочетающимся с подачей воды. Расчеты и практические наблюдения за поведением парогазовых смесей в емкостях, созданных мощными камуфлетными взрывами показывают, что это возможно при сравнительно малых объемах емкости (до 5 тыс. м³) (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 парогазовая смесь обладает свойством гораздо проще переводиться на другие режимы. Это объясняется 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. Так, 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 внутри емкости 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 способа и определить основные характеристики режимов подачи парогазовой смеси.

Данный способ применим в массиве слабопроницаемых пород с коэффициентом проницаемости К_п 10^-2-10^-3 Дарси (соответствует слабопроницаемым породам согласно классификации пород по проницаемости). Это объясняется тем, что при меньших коэффициентах проницаемости, свойственных упругопластическим породам (например, солям К_п 10^-4 и менее) глубина проникновения смеси в поры (трещины) при оптимальных для нагрева и охлаждения давлениях за реальные сроки (до нескольких суток), будет меньше глубины расположения откольных трещин, кроме того, при столь низких коэффициентах проницаемости (а, 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 неразрушаемого постоянным током смеси.

При больших коэффициентах проницаемости (10^-1 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, превышающей величину толщины отсекаемого слоя породы (до 0,2 м), и достаточной для появления "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 зависимости от проницаемости). Причем, следует отметить, что значительное (более чем в 1,5 раза) увеличение давления, обуславливает проникновение смеси на большую глубину, чем может динамически разгрузиться и, следовательно, обуславливает или длительную выдержку емкости после сбора в нее воды, или наличие противодавления в порах (трещинах) при последующих операциях, что снижает эффективность способа.

Поэтому, оптимальные границы применимости данного способа по величине предела прочности пород на растяжение находятся в пределах (30-40)-(120-130) КГс/см², что соответствует породам с коэффициентом крепости по Протодьяконову М.М.

При выборе необходимого режима операций при создании емкости, кроме перечисленных 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). Если удается поддерживать режим не разрушенной (не расслоившейся) струи, то на 1 кг парогазовой смеси приходится до 30-70 кг выносимой породы. Однако, достичь этого практически не возможно, особенно при маленьких диаметрах каналов с 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 диа- пазона 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^оС. 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 быть меньше 6-12 ч (в зависимости от проницаемости).

П р и м е р. Для технико-экономической оценки способа, воспользуемся данными по одной из площадок предполагаемого строительства подземного хранилища-могильника высокотоксичных отходов. Рабочая толща представлена порфиритами и перекрыта глинистыми отложениями, являющимися региональным водоупором.

Глубина залегания кровли рабочей толщи 350 м от дневной поверхности, толща выдержана по простиранию и прослежена на глубину до 2000 м. Проницаемость выбранного блока (1-5)х10^-3 Дарси. Блок находится в зоне застойного водообмена. Пластовая температура в точке заложения 35^оС. Коэффициент крепости слагающих блок пород 12 по М.М.Протодьяконову. Рекомендуемая глубина заложения емкости 600 м, необходимый объем 30 тыс.м³. В массив бурится скважина на глубину 620 м и снабжается обсадной колонкой ⊘ 420 мм, в которую спускается дополнительная колонна труб ⊘ 324 мм. В дополнительную колонну труб помещают центральный став труб ⊘150 мм. По центральному ставу труб на забой подают парогазовую смесь с расходом 20 т/ч, содержащую 10% воздуха. Давление парогазовой смеси 20 ати, а температура меняется в течение 8 ч от 210 до 350^оС.

В процессе подачи парогазовой смеси происходит вынос обрушенной породы с удельным расходом на 1 кг пара 7 кг породы. После окончания выноса породы выходной канал (канал выноса породы) перекрывается и в емкости создают давление 18 ати и, открыв канал выноса породы, нагнетают в емкость воду двумя порциями: 1-ая с удельным расходом 1500 л/тыс.м³ объема емкости и, после выдержки 20 мин, 2-ую порцию до начала выноса породы из емкости (удельный расход 12000-14000 л/тыс.м³ объема емкости). Операции повторяют до достижения емкостью необходимого объема 30 тыс.м³, контролируемого по известной методике.

Данный способ создания подземных емкостей позволит повысить эффективность ее строительства в слабопроницаемых породах различной прочности (коэффициент крепости по М.М.Протодьяконову). По сравнению с прототипом позволит: вести работы в несоляных породах, сократить сроки строительства, избежав длительного процесса образования первоначальной камеры, избежать необходимости строительства пульпо(рассоло)- хранилища или узла по их переработке. Сводные сведения, характеризующие предлагаемый способ, приведены в таблице.

Изобретение позволяет повысить эффективность создания емкости в слабопроницаемых породах различной крепости. При этом стоимость емкости объемом 30 - 50 тыс. м³ уменьшится минимум на 25 - 40% (по сравнению с традиционными способами), а время сооружения на 20 - 25% (минимум). Для создания подземной емкости бурят скважину, обустраивают ее колоннами труб, на забой поочередно подают парогазовую смесь с массовой долей газа 3 - 12% и температурой (T_п л + 150^o) < T ≅ T_к р, где T_п л - пластовая температура; T_к р = 373^oС - критическая температура водяного пара и жидкости, при этом парогазовую смесь подают до прекращения выноса разрушенной породы и создания в емкости давления 0,05
σ_раст<P≅P_п.г.с,
где σ_раст - предел прочности пород на растяжение; P_{п . г . c .} - давление подаваемой парогазовой смеси; после чего в емкость закачивают жидкость до начала выноса разрушенной породы. Причем подачу парогазовой смеси ведут с постоянно увеличиваемой температурой. 2 з. п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

1. СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОДЗЕМНОЙ ЕМКОСТИ, включающий бурение скважины, оснащение ее колоннами труб, подачу на забой рабочего агента для разрушения вмещающих горных пород и выдачи их по скважине на поверхность, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности создания емкости в слабопроницаемых породах посредством создания во вмещающих породах переменных нагрузок, в качестве рабочего агента на забой подают парогазовую смесь с температурой:
(T_п л + 150^oС) < T < T_к р,
где T_п л пластовая температура;
T_к р 373^oС критическая температура водяного пара и воды,
при этом парогазовую смесь подают до прекращения выноса разрушенной породы и создания в емкости давления, определенного из соотношения:
0,05 σ_раст.< P≅ P_п.г.с,
где σ_раст. предел прочности пород на растяжение,
P_{п . г . с} давление подаваемой парогазовой смеси, после чего в емкость закачивают жидкость до начала выноса разрушения породы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что масса газа в парогазовой смеси составляет 0,03 0,12 общей массы смеси. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу парогазовой смеси ведут с постоянно увеличиваемой температурой.