книги из ГПНТБ / Ширковский, А. И. Добыча и подземное хранение газа учебное пособие

Т е о р е т и ч е с к и е о с н о в ы п р о е к т и р о в а н и я

р а з м ы в а п о д з е м н ы х е м к о с т е й в о т л о ж е н и я х к а м е н н о й с оли

Теория размыва подземной емкости в соляных отложениях позволяет получить зависимость концентрации рассола на любом этапе формирования емкости от расхода растворителя и сроков размыва.

Зависимость между пространственно-временными изменениями концентрации растворителя C= f(x, у, г. т) описывается диффе­ ренциальными уравнениями: диффузионного и конвективного пе­ реноса вещества; массообмена на границе раздела пограничного слоя с общей массой растворителя; массообмена на границе раз­ дела твердой и жидкой фаз и уравнением движения вязкой жидко­ сти (Навье — Стокса). Даже при существенных допущениях не получено решений системы указанных уравнений. В связи с этим процессы размыва исследуются методами физического модели­ рования, а расчетные формулы получены эмпирически при обра­ ботке результатов экспериментов.

Количество соли, растворенное водой с реакционных поверх­ ностей, различно ориентированных в пространстве, определяется по следующим формулам:

для поверхностей, расположенных под углом наклона 9 0 ° ^ р ^ ^180° к горизонту

для поверхностей, расположенных под углом 0 °^ ф ^ 9 0 ° к гори­ зонту

(229)

где g — количество соли, растворенное водой с единицы поверх­ ности каверны, в кг/м2-ч; Ср и Сн — концентрация соответственно растворителя и насыщенного рассола в кг/м3; рр и рн— плотность соответственно растворителя и рассола в кг/м3; t —температура растворителя в °С; |3, ф — углы наклона реакционных поверхностей в радианах; 22,4; 8,75; 5,87; 3,75; 1,80 — размерные коэффициенты.

Используя эти формулы и представляя геометрию размывае­ мой камеры как последовательный (поэтапный) ряд ~ емкостей определенной конфигурации, рассчитываем концентрацию и рас­ ход рассола для каждого этапа и сроки размыва. Для предвари­ тельных проработок вариантов размыва используют упрощенные формулы, осредняя параметры камер (без разбивки на этапы).

Поскольку форма размываемой камеры может существенно отличаться от принятой расчетной схемы, целесообразно было провести специальные обобщения экспериментов для создания

170

более общих методов расчета. Один из таких методов, разрабо­ танных во ВНИИпромгазе, положен в основу «Временных ука­ заний по проектированию и строительству подземных хранилищ в отложениях каменной соли (для нефти, нефтепродуктов и сжи­ женных газов)».

Ниже приведена последовательность проектирования размыва подземных емкостей в отложениях каменной соли.

1. Выбор технологической схемы размыва. Опыт сооружения подземных емкостей позволяет рекомендовать в качестве основной схемы ступенчатый противоток, а в сложных горно-геологических условиях — ступенчатый прямоток.

2. Составление расчетной схемы формообразования емкости ведется с учетом следующего: а) растворяющиеся поверхности располагаются по отношению к растворителю под углами 90 и 180° (вертикальная боковая стенка и горизонтальная потолочина); б) линейные скорости растворения поверхностей, одинаково ориен­ тированных в пространстве выше башмака внешней рабочей ко­ лонны, не зависят от высоты камеры и принимаются равными; в) линейная скорость растворения горизонтальной поверхности в 1,5 раза (нерастворитель — воздух) выше линейной скорости рас­ творения вертикальной поверхности. Расчетную схему формообра­ зования принято строить в виде вертикального сечения по оси проектируемой емкости.

Форму гидровруба принимают цилиндрической из условия приема нерастворимых включений. В конце размыва форма гидро­ вруба принимается в виде усеченного конуса, равновеликого по объему начальному "цилиндру с диаметром нижнего основания, равным 2/3 диаметра цилиндра. На каждом заданном этапе строят форму емкости для зоны выше башмака колонны с учетом изло­ женного выше, а для зоны ниже башмака с учетом диаметра гидровруба, который принимается за основание усеченного конуса.

3. Расчет основных технологических параметров. В качестве поверхности растворения принимается «приведенная поверхность» (условная вертикальная поверхность, с которой количество соли, растворяемое водой в единицу времени, равно количеству соли, растворенному с поверхности емкости сложной геометрической формы).

Вводятся понятия приведенной скорости растворителя и при­ веденного коэффициента скорости растворения. Экспериментальные исследования В. А. Мазурова и Б. Н. Федорова позволили уста­ новить область автомодельности и получить систему расчетных формул. Этот метод расчета надежен, прост и дает высокую точность.

Приведенная поверхность растворения в соответствии с при­ нятой схемой формообразования

171

где SB и 5Г — площади вертикальных и горизонтальных поверх­ ностей растворения.

Концентрация поступающего на поверхность рассола на любом этапе формирования емкости рассчитывается по формуле

С = СН( 1 -

ипр

где С„ — концентрация насыщенного рассола в кг/м3; knp— приве­ денный коэффициент скорости растворителя в м/ч; иПр — приве­ денная скорость движения растворителя в м/ч.

растворения в м2).

Среднеинтегральную концентрацию рассола на отдельном этапе формообразования или при размыве всей емкости (при условии непрерывности процесса и монотонного изменения величины рас­ творяющейся поверхности при постоянном расходе растворителя) можно определить по формуле

рости растворения к приведенной скорости движения растворителя (диффузионное число Стентона) соответственно в начале и конце рассматриваемого этапа.

Время размыва этапа или всей емкости

172

Для определения приведенного коэффициента скорости раство­ рения получены следующие эмпирические формулы:

противоток

нимаемого воздухом в верхней части камеры, в м3/сут; 1+(т) —

солютное давление воздуха в камере в кгс/см2; z — коэффициент сжимаемости при рк и Т\ Т — температура воздуха в камере в ° К.

Для расчета растворимости воздуха в рассоле при различных условиях может быть использована формула В. А. Мазурова

lgSK= lgp — 0,00055/j — 0,0024С + 0,00000053Са — 0,012/ +

В табл. 34 даны некоторые результаты расчета по описываемой

173

Физико-химические и гидродинами­ ческие явления, происходящие при создании подземных емкостей, пред­ определили три основных направления интенсификации размыва каменной соли.

1. Воздействие на перемешивание всей массы растворителя в емкости с целью равномерного распределения концентрации соли. Это достигается применением различных схем размы­ ва. Однако значительного эффекта ин­ тенсификации размыва получить не удается, так как концентрация рассола очень быстро стабилизируется и при­ нимает постоянное значение при дан­ ной схеме размыва.

2. Воздействие на пограничный слой растворителя. Дополнительный массоперенос обеспечивают пузырьки воздуха или другого газа, выделяю­ щиеся у стенок камеры. Это явление

было отмечено при использовании воздуха в качестве нерастворителя и подачи его растворенным в воде. Установлено, что раство­ римость вертикальных поверхностей выше при газообразном нерастворителе, чем при жидком. В качестве газа могут быть ис­ пользованы также углекислый газ, пропан и другие легкие угле­ водороды. Для улучшения образования пузырьков при снижении давления рекомендуется добавлять поверхностно-активные ве­ щества.

Массообмен в пограничном слое усиливается под действием упругих колебаний звуковых частот. Эксперименты показали, что в зависимости от интенсивности излучения скорость растворения соли возрастает в 1,5—2 раза. Относительная эффективность воз­

174

действия упругих колебаний увеличивается с ростом начальной концентрации рассола.

3. Изменение параметров процесса. Из формул (228) и (229) видно, что количество соли, растворенное водой, зависит от тем­ пературы растворителя. Лабораторные эксперименты показали,

Рис. 45. Показатели размыва подземной емкости:

что повышение температуры растворителя с 20 до 40—50° С при­ вело к росту количества соли, растворенной водой с единицы по­ верхности каверны, в 1,5—2 раза.

Широкое промышленное внедрение методов интенсификации позволит сократить сроки строительства подземных хранилищ в отложениях каменной соли и повысить их технико-экономическую эффективность.

О п р е д е л е н и е о б ъ е м а и ф о р м ы п о д з е м н ы х е м к о с т е й

Для управления процессом размыва и контроля за состоянием емкости при ее эксплуатации необходимо знать объем и форму подземной емкости. Эти данные получают по информации о раз­ мыве и при помощи дистанционных приборов, спускаемых в ем­ кость.

По наземной информации с использованием методов материаль­ ного баланса и закономерностей, вытекающих из гидростатики, можно оценить объем камеры, но практически невозможно опре­ делить форму емкости. Погрешность этих методов значительна и обусловлена анизотропией соли, наличием нерастворимых включе­ ний, сложностью динамики размыва и т. д. Таким образом, назем­ ные методы контроля за объемом применяют для ориентировочной сценки.

Основными методами определения объема и формы подземных емкостей в настоящее время являются: ультразвуковая гидроло-

175

нация и электроуровнемер в заполненной рассолом и нефтепро­ дуктом емкости; телевизионные установки и оптические измери­

лу времени t между моментом посылки лоцирующего импульса и приходом его отражения от стенки емкости. Размер камеры оп­

хранилища; v — скорость распространения ультразвука в жидко­ сти, заполняющей емкость; t —-определяют измерениями, a v уста­ навливают при калибровке прибора.

На рис. 46 приведено одно и,з сечений емкости подземного хранилища, полученное с помощью фоторегистратора с индикатора кругового обзора.

После съемки сечения камеры на данном уровне скважинный снаряд гидролокатора перемещают на новый уровень. Расстояние между соседними уровнями зависит от размеров емкости и слож­ ности ее формы и колеблется от 1—2 до 20—30 м.

Детальное представление о форме емкости дает совокупность всех горизонтальных сечений, которую иногда представляют в виде пространственной модели.

Форму элементарного объема между сечениями можно описать геометрически как цилиндр, усеченный конус или шаровой слой. Вычисление принято проводить по формуле усеченного конуса

176

Опыт измерений показал, что при неблагоприятных условиях погрешность гидроакустических данных может достигать 10—15%, поэтому в каждом случае требуется оценивать суммарную по­ грешность измерений.

Работы по контролю за формой и объемом незаполненных емкостей выполняют в следующем порядке. Сначала делают ви­ зуальный обзор внутренней полости емкости при помощи теле­ камеры. Отдельные участки стенок камеры фотографируют и ориентировочно оценивают размеры емкости. Затем оптическим измерительным прибором с учетом телевизионных наблюдений из­ меряют размеры сечений через заданный интервал глубин. Ем­ кость рассчитывают по формуле (243).

О с о б е н н о с т и э к с п л у а т а ц и и п о д з е м н ы х х р а н и л и щ в о т л о ж е н и я х к а м е н н о й с о ли

Технологическая схема и режим эксплуатации подземных хра­ нилищ зависят от назначения хранения; сезонное, суточное, технологическое на заводах и т. д. Процесс эксплуатации храни­ лища состоит из четырех циклов: закачка, хранение, отбор, простой частично или полностью-опорожненного хранилища.

Продукт закачивают двумя способами: самотеком и с приме­ нением насосов. В период неподвижного хранения продукта про­ водят соответствующий контроль за давлением, положением уров­ ней продукта и за состоянием оборудования.

Хранимый продукт при его отборе вытесняют рассолом, газо­ образными агентами или другими продуктами. Откачку ведут с помощью глубинных погружных насосов. Для подъема газожид­ костной смеси по скважине используют газлифт. Во время простоя частично опорожненной емкости контролируют допустимые дав­ ления, уровни и состояние оборудования. Продолжительность каждого цикла зависит от назначения хранилища, простой его следует сокращать до минимума.

Наибольшее распространение получили технологические схемы хранилищ с применением для отбора способа вытеснения. В зави­ симости от способа вытеснения применяют схемы эксплуатации хранилищ с жидким и газообразным рабочим агентом.

Преимущества схемы с жидким рабочим агентом: рассол ней­ трален по отношению к стенкам хранилища и к хранимому про­ дукту, плотность его выше плотности продукта, в связи с чем увеличивается эффективность вытеснения; во всех точках техноло­ гической схемы и в подземных резервуарах отсутствует паровая

177

фаза хранимого продукта (нет «больших» и «малых» дыханий); продукт находится в хранилище под давлением столба рассола.

Недостатками схемы являются: необходимость хранения рас­ сола в рассолохранилищах (получение рассола с рассолопромыслов или из скважин, пробуренных на неглубокие пласты минерали­ зованной воды); поддержание заданной концентрации рассола;

Рис. 47. Принципиальная схема эксплуатации подземного хранилища сжижен­ ных газов в отложениях каменной соли:

/ — трубопровод жидкой фазы; / / — трубопровод паровой фазы; / / / — рассольный трубопровод

сохранение герметичности стенок и ложа рассолохранилища; изме­ нение плотности рассола вследствие нагрева в подземной емкости холодного закачанного рассола.

Технологическая схема эксплуатации хранилища с жидким ■рабочим агентом представлена на рис. 47.

В данном случае сжиженный газ сливают на железнодорожной эстакаде 2. Возможно также поступление сжиженного газа по трубопроводу или водным транспортом. Насосами 3 при избыточ­ ном давлении, достаточном для вытеснения рассола, газ подается по кольцевому пространству скважины в верхнюю часть емкости, а рассол по внутренней колонне вытесняется в наземное рассолохранилище 8. Возможно создание и подземных рассолохранилищ. После слива жидкой фазы железнодорожные цистерны освобож­ даются от паров пропана, которые сжимаются компрессором 5 и сжижаются в конденсаторе 6. Из сборника конденсата 7 сжижен­ ный газ периодически откачивается в подземную емкость 1.

178

Сжиженный газ отбирают путем вытеснения его рассолом, кото­ рый подается из рассолохранилища 8 насосами 9 в центральную рассольную колонну, а сжиженный газ по затрубному простран­ ству поступает на поверхность. Сжиженный газ после хранения при необходимости поступает на установку осушки газа 4. Если содержание влаги в газе не превышает допустимого, сжиженный газ подается непосредственно из хранилища на эстакаду 2 для налива в железнодорожные цистерны или выдается другим по­ требителям.

При эксплуатации рассолохранилищ возникают следующие затруднения: предотвращение утечек и фильтрации в грунт рас­ сола; поддержание стабильной концентрации рассола, использова­ ние неконцентрированных рассолов для регулируемого доразмыва подземной емкости; предотвращение коррозии и эрозии противофильтрационных экранов стенок и днища рассолохранилища.

Для предотвращения утечек и фильтрации рассолов в грунт применяют специальные герметизирующие покрытия: эластичные — пленки, полимеры, мазуты и др.; жесткие — сборные железобетон­ ные плиты, асфальтобетон, пневмобетон и др. Требования к экра­ нам— рассолонепроницаемость и долговечность.

Для автоматического контроля за состоянием хранилища и обнаружения утечек используют метод измерения электросопротив­ ления. Под рассолохранилищем располагают координатную сетку из чувствительных элементов, представляющую собой провод, по длине которого через каждые 1—2 м снято по 20 мм изоляции. Эти участки являются активными элементами, так как находятся в прямом контакте с окружающим грунтом. Общий электрод по­ мещен в рассолохр'анилище. Рассол при прорыве из хранилища замыкает цепь: общий электрод — чувствительный элемент. Это фиксируется индикаторной системой (световой или звуковой сиг­ нал). После этого при помощи многопозиционного переключателя находят места утечек.

К преимуществам описанного контроля за герметичностью рассолохранилища относятся отсутствие специальных генераторов, периодических измерений и затрат энергии (в рабочем состоянии система разомкнута), кроме того, используемая сетка дешевле датчиков.

Стабильность и постоянство концентрации рассола в рассолохранилище нарушаются под действием атмосферных осадков и климатических условий. При разбавлении рассола может произойти неуправляемый доразмыв и требуется сброс излишнего объема рассола. Из перенасыщенного рассола в коммуникациях выпадает соль, кроме того, при перенасыщении увеличивается плотность рассола, а следовательно, повышаются затраты энергии на его вытеснение.

Специальные эксперименты на действующих объектах показали, что в южных районах страны испарение превышает объем выпадаемых осадков и концентрация рассола близка к нормативной.

179