В каменной соли

Строительство и эксплуатация подземных резервуаров

Подземные хранилища в каменной соли характеризуются эксплуатационной надежностью и экологической безопасностью, чем они выгодно отличаются от традиционных хранилищ нефтепродуктов и сжиженных газов в стальных наземных и заглубленных резервуарах, широко используемых в России и за рубежом. Кажущаяся легкость обслуживания последних не гарантирует экологической безопасности и значимых экономических выгод из-за ряда существенных недостатков — повышенной пожаро- и взрывоопасности, высоких потерь от испарения вследствие ≪больших≫ и ≪малых≫ дыханий, загрязнения воздушного бассейна, грунтовых и поверхностных вод вследствие утечек из-за коррозионного повреждения резервуаров, отчуждения значительных земельных угодий, высокой металлоемкости конструкций.

Эксплуатационная надежность и экологическая безопасность любого типа подземного хранилища обеспечивается прочностью и устойчивостью выработок-емкостей; герметичностью подземных резервуаров, т.е. их изолированностью от грунтовых и поверхностных вод и от атмосферного воздуха; незначительным отчуждением земли по сравнению с объемом хранилища; сейсмической устойчивостью; минимальным риском при нештатных ситуациях.

Как показывает опыт, объем выбросов углеводородов в атмосферу вследствие ≪больших≫ и ≪малых≫ дыханий на подземных хранилищах снижается в десятки и сотни раз по сравнению с наземными, а имеющиеся выбросы связаны с эксплуатацией наземного комплекса, терминалов и т.п., а не подземных резервуаров.

Продукт из подземного резервуара отбирают, вытесняя его рассолом (рассольная технология эксплуатации), поэтому даже в случае аварийной разгерметизации устья скважины последствия имеют локальный характер и потери продукта минимальны.

Конструкция устьев скважин, применение клапанов-отсекателей обеспечивают защиту от несанкционированного доступа и высокую устойчивость к любым внешним воздействиям, в том числе и при чрезвычайных ситуациях.

Химическая инертность каменной соли по отношению к хранимым продуктам в совокупности с отсутствием кислорода и стабильностью температуры и давления обеспечивают сохранение качества товарных продуктов. В выработках-емкостях в каменной соли поя вившиеся по какой-либо причине трещины способны самозалечиваться вследствие вязкопластических деформаций соли, что обеспечивает практическую непроницаемость соляных массивов и герметичность подзем ных резервуаров.

Гидроциркуляционная технология сооружения резервуаров не допускает их крепления, поэтому для обеспечения устойчивости при больших глубинах заложения выработки-емкости эксплуатируются под избыточным давлением, что является достоинством при хранении ряда газообразных и жидких продуктов. Подземные хранилища в каменной соли идеально подходят для хранения таких углеводородов, как бутан, пропан, пропилен, бутилен и др., которые в термобарических условиях подземного резервуара способны находиться в сжиженном состоянии. Хранение природного и иных газов под высоким давлением обеспечивает высокую эффективность использования геометрического объема выработок-емкостей. В случае хранения товарных нефтепродуктов установившиеся термобарические условия в выработке-емкости блокируют процесс выделения кислорода, растворенного в рассоле, благодаря чему значительно замедляется окисление хранимого продукта.

Обычно, при создании подземных выработок-емкостей малой вместимости, полезная высота которых не превышает 10 м, минимально допустимая мощность соляной залежи должна составлять 20 м. При этом минимально допустимые значения высоты целиков в почве и кровле принимаются, исходя из условия проницаемости выше- и нижележащих пород и их прочности, а скважина обсаживается до кровли выработки.

Площадь распространения соляной залежи в плане должна обеспечивать размещение заданного количества резервуаров с оставлением целиков соли между выработками, а также между выработками и боковыми поверхностями соляной залежи.

С точки зрения технологии строительства большое значение имеет состав соленосных отложений. В интервале глубин заложения выработки-емкости соляная залежь, как правило, не должна содержать прослоев калийно-магниевых и других солей, легко растворяющихся в воде и хлоридно-натриевых рассолах, а также прослоев нерастворимых пород, затрудняющих процесс создания выработки заданной формы и объема.

Существуют определенные требования к температуре породного массива, связанные с необходимостью сохранения качества продукта. Температурные критерии пригодности соляных залежей для хранения моторных топлив определены на основании экспериментальных исследований качества продуктов при их длительном хранении в контакте с каменной солью. Для сырой нефти, газового конденсата и других продуктов, не имеющих жестких требований к химическому составу, температурных ограничений при их хранении в подземных резервуарах в каменной соли не устанавливается.

Важный аспект при выборе площадок строительства подземных хранилищ — наличие источников водоснабжения для осуществления процесса подземного растворения соли.

При создании 1 м³ геометрического объема выработки-емкости образуется 8-10 м³ рассола. Поэтому еще одним важным аспектом создания подземных хранилищ в каменной соли является удаление рассола со строительной площадки и его утилизация.

Подземный резервуар состоит из выработки-емкости, используемой для размещения хранимого продукта, и эксплуатационной скважины, оборудованной для закачки и отбора продукта. Выработка-емкость обычно имеет осесимметричную форму (цилиндрическую, шаровую, эллипсоида вращения и др.) и куполообразную кровлю, причем осью симметрии является скважина. Подземные резервуары могут иметь одну или несколько эксплуатационных скважин. Для строительства подземной выработки-емкости скважина оборудуется подвесными колоннами труб для подачи растворителя и отбора рассола, а в стадии эксплуатации резервуара — подвесными рабочими колоннами труб, количество которых определяется в зависимости от вида хранимого продукта и технологии эксплуатации хранилища. Выработки-емкости имеют пролет обычно до 90 м, высоту до нескольких сотен метров и вместимость от десятков тысяч до миллиона кубометров.

Наряду с вышеописанными вертикальными резервуарами используются резервуары гирляндного типа, когда две выработки-емкости сооружаются через одну вертикальную скважину, а также резервуары тоннельного типа. Принципиальные схемы подземных резервуаров и варианты их взаимного расположения показаны на рис. 13.3.

Подземный резервуар сооружают с учетом минимального силового воздействия на эксплуатационную скважину, в частности с этой целью оставляют не обсаженный участок скважины над кровлей выработки.

Длина необсаженной части скважины, т.е. расстояние между кровлей выработки-емкости и башмаком последней зацементированной колонны, определяется расчетным путем в зависимости от горно-геологических условий площадки строительства хранилища и составляет до нескольких десятков метров.

Подземные резервуары в каменной соли сооружаются в соляных залежах всех морфологических типов и возрастов. Существующие в мире подземные резервуары расположены в соляных толщах, залегающих, как правило, в диапазоне глубин 300—1500 м. Это связано с выбором экономически целесообразных способов строительства и эксплуатации хранилищ с учетом номенклатуры хранимых продуктов. Теоретические расчеты показывают, что максимально возможная глубина заложения подземных резервуаров (с точки зрения обеспечения их устойчивости) не превышает 3000 м.

Минимально приемлемая глубина залегания пород каменной соли, пригодных для размещения выработок-емкостей, зависит от вида хранимого продукта. В мощных соляных залежах расстояние между устьями скважин допускается уменьшать двух- или многоярусным расположением выработок-емкостей.

На территории России находятся 15 соленосных бассейнов и площадей, перспективных для строительства подземных резервуаров для хранения газообразных и жидких продуктов и захоронения промышленных отходов.

В странах ближнего и дальнего зарубежья, входящих в сферу интересов российских нефтяных и газовых компаний, также есть условия для создания подземных хранилищ.

Снижение расходов на сооружение и эксплуатацию подземных хранилищ газообразных и жидких продуктов — комплексная задача, решение которой связано с выбором технологии эксплуатации резервуара.

Подземные хранилища состоят из наземного и подземного эксплуатационных комплексов. Наземный эксплуатационный комплекс обеспечивает закачку в подземный резервуар хранимого продукта и выдачу его на поверхность для передачи потребителю. В случае необходимости, по требованию потребителя производится дополнительная подготовка продукта к транспорту. В основном, такая подготовка производится при выдаче природного газа из хранилища в магистральный газопровод. В этом случае появляется дополнительное наземное оборудование: пылеуловители, сепараторы, подогреватели и др.

Подземный комплекс хранилища состоит из подземных резервуаров и скважин различного назначения. Количество последних в зависимости от вида и объема хранимого продукта, горно-геологических условий площадки хранилища могут достигать десяти и более единиц. К этим скважинам относятся все наблюдательные, пробуренные на глубину соответствующих водоносных горизонтов, и сбросные скважины промышленных стоков.

Состав сооружений и номенклатура оборудования наземного комплекса подземных хранилищ зависят от вида хранимого продукта и технологии эксплуатации.

Наиболее распространенными являются рассольная (рис. 13.4) и безрассольная технологии эксплуатации подземных хранилищ. Одна из разновидностей безрассольной технологии используется на подземных хранилищах природного газа, когда резервуары эксплуатируются как сухие газгольдеры (рис. 13.5).

Рассольная схема предполагает закачку и отбор жидких или сжиженных продуктов по принципу замещения хранимого продукта насыщенным рассолом.

Для обеспечения подземного хранилища оперативным рассолом используются, как правило, специально построенные наземные и подземные рассолохранилища. Могут быть использованы другие источники: близрасположенные рассолопроизводящие предприятия, природные рассолы неглубокого залегания и концентрации, близкой к насыщению и др.

В процессе эксплуатации происходит постепенное увеличение объема подземной выработки-емкости. Это — следствие разных температурных условий нахождения рассола в подземной выработке и в рассолохранилище. Если температура окружающих пород, вмещающих подземный резервуар, выше, чем в рассолохранилище, то выпадение соли происходит в рассолохранилище. Для предотвращения этого процесса извлеченный из резервуара рассол разбавляют пресной водой, доводя до насыщенного состояния при температуре рассолохранилища, который становится ненасыщенным в условиях подземного резервуара. Следовательно, закачка такого рассола в резервуар приводит к дополнительному растворению стенок резервуара, т.е. незапланированному увеличению его объема. При движении насыщенного рассола по трубам в противоточном режиме с нагнетаемой холодной углеводородной жидкостью происходит теплообмен, в результате которого температура и давление рассола постепенно снижаются, что может привести к выпадению в осадок некоторого количества кристаллической соли прямо в центральной колонне, когда рассол достигает поверхности земли. Иногда может образоваться такое количество осадка соли в горизонтальной части рассолопровода, что трубопровод может забиться. Чтобы предотвратить выпадение соли в осадок существует технология эксплуатации хранилища, где предусматривается разбавление рассола пресной водой прямо в рассолопроводе или в подвесной колонне скважины.

При неконтролируемом подрастворении вмещающего резервуар массива каменной соли может произойти разгерметизация хранилища и утечка хранимого продукта. В других случаях вместимость резервуара становится слишком большой для хранения заданного количества продукта, что значительно удорожает стоимость закачки и других операций по обслуживанию хранилища.

Уменьшение влияния многих вышеуказанных отрицательных факторов, сопутствующих рассольному методу эксплуатации, может быть осуществлено применением такой схемы эксплуатации хранилища, при которой рассол, содержащийся в рассолохранилище и в подземном резервуаре для хранения продукта, находится в одинаковых термодинамических условиях. Указанная цель достигается созданием основного рассолохранилища в том же пласте и примерно на той же глубине, что и резервуар для хранения продукта.

При такой схеме эксплуатации рассол для вытеснения хранимого продукта поступает из подземного рассолохранилища. При этом происходит постепенное увеличение объема подземного рассолохранилища. Размеры подземной выработки-емкости продукта остаются неизменными. Если хранилище состоит из нескольких подземных резервуаров для хранения продукта, достаточно иметь одно наземное и одно подземное рассолохранилище.

Открытие крупных запасов нефти на шельфе создало много проблем, связанных с транспортом и хранением добываемой нефти. Один из способов хранения нефти, добываемой в море, вблизи места добычи — сооружение подземных резервуаров под дном моря. В этом случае можно создать подземный резервуар в соляном пласте, способный вмещать многодневную добычу нефти, и оборудование для загрузки танкеров вблизи такого хранилища.

Один из подходящих методов эксплуатации такого резервуара — вытеснение нефти морской водой. Так как используемая морская вода является почти пресной по сравнению с насыщенным рассолом, то после каждой операции по вытеснению нефти размеры емкости увеличиваются, происходит дополнительное растворение стенок резервуара.

На этом принципе разработаны и апробированы методы эксплуатации подземных резервуаров с ≪подрастворением≫, использование которых позволяет ускорить сроки ввода резервуаров, упростить схему оперативного рассолоснабжения, увеличивать вместимость резервуарного парка по мере необходимости и, в то же время, корректировать форму резервуаров при эксплуатации. Пресная вода может быть использована также для аварийного вытеснения нефтепродуктов из подземных резервуаров.

При рассольной технологии эксплуатации хранилища скважина подземного резервуара оборудуется двумя подвесными колоннами: центральной и внешней. Центральная колонна предназначена для закачки и отбора рассола из выработки-емкости, а внешняя для закачки и отбора хранимого продукта. Межтрубное пространство внешней и обсадной колонн может быть изолировано пакером, установленным на уровне башмака обсадной колонны. В этом случае межтрубное пространство заполняется антикоррозийной жидкостью для сохранения внутренней поверхности обсадной колонны.

Благодаря применению рассольной технологии при хранении нефтепродуктов в резервуаре отсутствует газовая фаза, поэтому нет их потерь от ≪больших≫ и ≪малых≫ дыханий и замедлена коррозия металлических элементов резервуара. Это несомненное преимущество такой схемы эксплуатации, так как она обеспечивает минимизацию плановых потерь нефтепродуктов и охрану окружающей среды.

К недостаткам рассольной технологии эксплуатации относятся: необходимость сооружения дорогостоящего наземного или подземного рассолохранилища; неуправляемость процесса подрастворения каменной соли при замещении продукта рассолом; повышенная коррозия технологических колонн и запорной арматуры, соприкасающихся с рассолом; сложность поддержания требуемой концентрации рассола в наземном рассолохранилище; возможность загрязнения окружающей среды.

При безрассольной эксплуатации подземных резервуаров для отбора жидких углеводородов используют энергию сжатых газов, специальные погружные электронасосы, газлифт, струйные насосы. В качестве сжатых газов могут быть использованы природный и инертные газы, пары сжиженных углеводородов и т.д. К основным требованиям, предъявляемым к газообразным агентам, относятся: малая растворимость и химическая нейтральность к продуктам хранения, способность не конденсироваться при температурах окружающих подземный резервуар пород, и повышенных давлениях, невысокая стоимость, исключение образования огнеопасных или взрывоопасных смесей.

Подземные хранилища, как правило, располагаются вблизи крупных промышленных центров, которые являются основными потребителями природного газа. Разветвленная сеть магистральных газопроводов будет в этом случае служить постоянным источником газа, позволяя обеспечивать необходимые производительности отбора продукта из подземных хранилищ.

После отбора нефтепродукта часть природного газа, участвующего в вытеснении продукта, по системе внутриплощадочных трубопроводов возвращается в магистральный газопровод. При этом давление газа в подземном резервуаре понижается до минимально допустимого (буферного) давления. Применение такой технологии, по сравнению с рассольной, позволяет отказаться от сооружения дорогостоящего наземного рассолохранилища с объемом, равным вместимости подземного хранилища, более рационально использовать наземную территорию, заменить для заполнения подземных резервуаров насосы высокого давления на насосы низкого давления, что в конечном итоге приводит к снижению капитальных и эксплуатационных расходов.

Особенностью технологического способа с применением сжатого газа является длительность контактирования жидкости и газа в процессе отбора продукта. Непосредственный контакт между природным газом и жидким углеводородом в подземном резервуаре при повышенном давлении сопровождается растворением газа в жидкости, что может привести к ухудшению товарных свойств части продукта, находящегося в непосредственной близости к зоне контакта.

Разработаны технические решения, позволяющие уменьшить отрицательные последствия непосредственного контактирования природного газа с продуктом в выработке-емкости. В тех случаях, когда вблизи хранилища не имеется источника получения природного газа, можно применить инертный газ. В случае хранения газообразного продукта в скважине может остаться только одна подвесная колонна. Центральная колонна после первоначального заполнения хранимым газообразным продуктом выработки-емкости, с помощью специального оборудования вытаскивается из скважины. При хранении жидкого продукта сохраняется двухколонная конструкция скважины, как и при рассольной схеме технологии эксплуатации хранилища. В этом случае пространство между внешней и обсадной колоннами на уровне башмака последней закрывается пакером и заполняется антикоррозионной жидкостью. Для предотвращения аварийного выброса сжатого газа из резервуара в скважине устанавливается клапан-отсекатель.

Основными недостатками безрассольной технологии являются: необходимость в источнике сжатого газа и утилизации низконапорного газа вытеснения; растворение газа в хранимый продукт; ограниченность глубины заложения резервуара и производительности отбора продукта при газлифтном и термогазлифтном способах эксплуатации.

Комбинированная технология эксплуатации подземных хранилищ применяется в случаях, когда предъявляются повышенные требования к стабильности качества хранимого продукта или при одновременном хранении двух различных продуктов. В этом случае один из продуктов может пользоваться повышенным спросом в весенне-летний, а другой в осенне-зимний периоды времени года. Примером такого сочетания может служить комбинация таких двух продуктов, как сжиженный углеводородный газ (пропан, бутан) и моторное топливо (бензин, дизтопливо). Сжиженный газ в этом случае используется для резервирования газоснабжения и пользуется наибольшим спросом в зимнее время года, а моторное топливо — в летнее время. Конструктивно подземные резервуары, входящие в состав хранилища, эксплуатируемого по комбинированной схеме, могут располагаться на одном уровне или один над другим и быть связанными с поверхностью земли одной или несколькими скважинами.

Обычно подземные резервуары проектируются с одинаковой вместимостью. Однако можно строить хранилище с резервуарами различной вместимости. При этом требуется дополнительное оборудование для извлечения последней порции продукта, хранимого в большом резервуаре.

Существует способ эксплуатации подземного хранилища жидких углеводородов с помощью сдвоенных соединенных резервуаров. Подземные резервуары частично заполнены вытесняющей жидкостью (рассолом), оставшаяся часть объема одного резервуара заполнена газом под давлением, а свободная часть объема другого резервуара заполнена хранимым продуктом. При этом рассол можно вытеснить из одного резервуара в другой только при помощи давления сжатого газа. В качестве сжатого газа можно использовать метан, инертные газы, воздух и т.д.

В рассмотренных схемах технологии эксплуатации каждый подземный резервуар имел свою скважину. В настоящее время разработан способ эксплуатации подземного хранилища, в которой резервуары имеют одну общую скважину. Резервуары расположены один над другим. Верхний резервуар предназначен для разделительной жидкости, а нижний — для хранимого продукта.

Заполняют хранилище продуктом так: хранимый продукт подается через продуктопровод в верхнюю часть нижнего резервуара, при этом рассол из нижнего резервуара вытесняется в верхний. Закачка продукта продолжается до полного заполнения нижнего резервуара.

Выдача продукта из хранилища осуществляется следующим образом.

По обсадной колонне закачивается сжатый газ в верхний резервуар. Под избыточным давлением газа рассол перемещается в нижний резервуар, при этом вытесняя продукт по продуктовой колонне на поверхность земли.

Принципиальная схема комбинированной технологии эксплуатации хранилища нефтепродуктов представлена на рис. 13.6

Подземный резервуар состоит из двух выработок-емкостей, расположенных одна над другой и связанных с поверхностью земли одной скважиной. Верхняя и нижняя ёмкости имеют гидравлическую связь.

Верхняя выработка-емкость предназначена для хранения насыщенного рассола, нижняя — для нефтепродукта.

Глубины заложения подземных выработок-емкостей и расстояние между ними определены, исходя из учета конкретных горно-геологических условий при обеспечении минимума энергозатрат при проведении сливо-наливных операций в системе природный газ-рассол-нефтепродукт. Специальный распределитель потоков обеспечивает циркуляцию рассола в системе резервуаров при отборе и закачке хранимого нефтепродукта.

Отбор нефтепродукта из подземного резервуара осуществляется под воздействием суммарного давления, создаваемого гидростатическим столбом рассола и сжатого природного газа. Природный газ поступает к резервуару под необходимым давлением и направляется по межтрубному пространству между обсадной и центральной колоннами труб в верхнюю выработку-емкость. Рассол из верхней выработки-емкости через перфорированные отверстия в обсадной колонне и распределитель потоков поступает в нижнюю выработку-емкость, вытесняя при этом нефтепродукт по центральной колонне на поверхность. Имеющийся пятнадцатилетний опыт эксплуатации такого подземного хранилища свидетельствует о достаточно высокой эффективности применения и технической надежности резервуара двухъярусного типа.

Анализ существующих способов и мирового опыта эксплуатации подземных хранилищ выявил основные тенденции развития способов эксплуатации:

• применение подземных рассолохранилищ в технологии эксплуатации хранилищ нефтепродуктов;

• использование безрассольной технологии с применением сжатого газа для отбора сырой нефти, нестабильного газового конденсата и других жидких углеводов, которые после хранения направляются на переработку;

• применение рассольной и комбинированной технологии эксплуатации хранилищ в тех случаях, когда требуется сохранение свойств хранимого продукта;

• газлифтный способ эффективен для отбора сжиженных газов, предназначенных для резервирования газоснабжения промышленных узлов и крупных населенных пунктов.

Вопросы к разделу:

1. Технологические схемы добычи рассола.

2. Технологические схемы эксплуатации подземных хранилищ в каменной соли.

Дата добавления: 2014-01-04