Параметры системы разработки при скважинной гидродобыче песка на газовых месторождениях полуострова Ямал Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

---------------------------------------- © О.И. Савич, Ю.Б. Несмеянова,

2008

УДК 622.272

О.И. Савич, Ю.Б. Несмеянова

ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ ПРИ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧЕ ПЕСКА НА ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ПОЛУОСТРОВА ЯМАЛ

Семинар № 17

ЖЭ обустройстве газоконденсатных

А# месторождений п-ова Ямал для отсыпки дорог и кустовых площадок в больших количествах требуется строительный песок. Анализ материалов инженерно-геологических изысканий на территориях газоконденсатных месторождений (ГКМ) п-ова Ямала показал, что на глубине 10-80 м от поверхности залегают мощные песчаные отложения, находящиеся в мерзлом состоянии. Мощность песков колеблется в пределах от 10 до 65 м, наиболее часто встречающаяся - от 15 до 25 м.

Для решения задач добычи строительных песков с глубин до 100 м предлагается использование технологии скважинной гидродобычи (СГД), которая обеспечит возможность получения песчаных материалов в непосредственной близости от развивающихся производственных объектов ОАО «Газпром».

Также, по сравнению с технологией открытых горных работ, обычно применяемой на месторождении, способ СГД обеспечивает добычу песка без предварительного проведения дорогостоящих

вскрышных работ. Отсутствие людей в очистном пространстве и затопление подземной камеры водой обеспечивает высокий уровень безопасности и позволяет увеличить размер допустимого пролета подземной камеры, то есть объем добы-

ваемого песка через одну скважину. Более того, при добыче песка способом СГД создаются подземные гидродобычные камеры, которые в дальнейшем, можно использовать как резервуары для захоронения буровых отходов и хранения жидких нефтепродуктов. Условием использования выработок в качестве хранилищ является обеспечение длительной устойчивости камер в незаполненном состоянии. Предлагаемый способ добычи строительных песков и создание в процессе размыва гидродобычных камер, приведенными ниже объемами, предполагает нахождение камер в затопленном состоянии на весь период ведения работ.

Добычу песка методом СГД возможно производить:

1. централизованно, сосредоточив добычу песка в одном месте, на территории с удобным расположением относительно объектов-потреби-телей и наибольшей мощностью песчаных отложений, а также создавая стационарные установки с проведением постоянных газовых сетей;

2. непосредственно на промышленных объектах, используя передвижное дизельное оборудование и добывая песок объемом в зависимости от потребностей каждого объекта.

В процессе гидродобычи песка, в породном массиве формируются подземные

5 7 г-1

Рис. 2. Схема расположения гидродобычных камер рядампке

пустоты (гидродобычные камеры). Так как применяется система разработки с поддержанием кровли устойчивыми целиками, то возникает необходимость определения таких параметров (размеров и объема выработки, а также размеров междукамерных целиков), которые обеспечивали бы максимальное извлечение песка с сохранением устойчивости камеры в зависимости от:

• физико-механических свойств породного массива;

• глубины разработки;

• мощности разрабатываемого пласта.

На добычном полигоне предлагается располагать гидродобычные камеры по сетке на расстоянии между устьями скважин 57 м. Максимальный диаметр ограничивается 40 м (рис. 1).

Также возможна система разработки рядами. Расчеты по оценке устойчивости камер для этой системы разработки будут производиться в ближайшем будущем.

Расстояния между скважинами в ряду принимаются равными 40 м. При этом в процессе гидродобычи допус-кается сбойка соседних выработок в

ряду. Размеры разделительных целиков между рядами камер принимаются равными

0,5 максимального пролета камеры и составляют 20 м, а расстояния между рядами (осями) скважин 60 м соответственно. Схема расположения рядов гидродобычных камер представлена на рис.

2.

Порядок отработки камер на полигоне должен быть отступающим, при этом трубопроводы не должны проходить через отработанную часть полигона.

При скважинной гидродобыче форма камеры определяется способом доставки оттаявшего песка к скважинному снаряду и положением уровня воды. Песок доставляется от стенок скважины до нижнего конца скважинного снаряда под действием сил гравитации, поэтому дно камеры принимает форму перевернутого конуса, с расположением боковой поверхности конуса под углом естественного откоса в воде, составляющего для мелкого и пылеватого песка 30-350. Кровля камеры в процессе ее отработки формируется в виде свода устойчивого равновесия с размерами плоской потолочины в верхней части диаметром не более 10 м.

Камеры заполнены водой до башмака обсадной колонны, находящегося на глубине 10 м от поверхности земли.

Схема получаемой при добыче песка гидродобычной камеры представлена на рис. 3.

Одним из основных факторов, влияющих на устойчивость образующихся при добыче песка гидродобычных камер, являются прочностные и деформационные свойства мерзлых пород, главным образом, зависящие от состава и температуры грунтов в естественных условиях залегания.

Температура грунтов колеблется в пределах от минус 3 до минус 5 0С. С повышением температуры прочностные характеристики снижаются.

Геологический разрез на территории добычи песков состоит из осадочных пород морского генезиса, находящихся в мерзлом состоянии до глубин 170-200 м. Разрез на кустовых площадках, глав-

ным образом, представлен глинистыми, суглинистыми и песчаными разностями. На остальной территории присутствуют мощные залежи пластовых погребенных льдов, толщина которых достигает 60-80 м. На рис. 4 представлен геологический разрез кустовой площадки 36, являющийся характерным для всего Бованенков-ского месторождения.

В результате проведенных инженерно-геологических изысканий на кустовых площадках территории Бованенков-ского месторождения были определены значения основных прочностных и деформационных характеристик мерзлых грунтов (табл. 1).

Оценка устойчивости гидродобычной камеры и подбор оптимального размера осуществляется путем оценки напряженно-деформированного состояния породного массива вмещающего подземные сооружения, с учетом требований действующих в этой области нормативных документов (СНиП 34-02-99 и СП 34-106-98). Расчеты производятся с помощью программного комплекса «Оценка напряженно-де-формированного состояния массива горных пород, вмещающего подземные резервуары» (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006613457).

Рис. 3. Схема гидродобычной камеры

Таблица 1

Прочностные и деформационные характеристики мерзлых пород на кустовых площадках

Вид грунтов Температура опыта, оС ос, МПа оЛ МПа а Ео,МПа Едл, МПа V

Суглинки* -3-(-4) 1,14- 6,6 0,19- 1,10 0,25- 0,76 21-259 0,10- 2,23 0,16- 0,46

Пески* -3-(-4) 1,2- 10,6 0,20- 1,76 0,25- 0,79 55-237 0,02- 3,65 0,13- 0,49

*такой большой интервал значений можно объяснить широким колебанием физических характеристик мерзлых грунтов в зависимости от расположения площадок, а также температурного режима пород

где ас - условно-мгновенная прочность; ас“ - предел длительной прочности; а - коэффициент нелинейности во времени; Ео - модуль линейной деформации; Едл. - предельно- длительное значение модуля линейной деформации; V - коэффициент поперечного расширения.

ной в 1991 г.

Таблица 2

Зависимость объема гидродобычной камеры от мощности добываемого песка______________

Глубина Максимальные диаметр D (м) и объем V(м3) гидродобычной камеры относительно

добычи, мощности пласта (м) добываемого песка

м 10 20 30 40

D, м V, м3 D, м V, м3 D, м V, м3 D, м V, м3

10 20,0 1650 36,0 10 280 38,0 21 790 40,0 33 530

40 20,0 1650 28,0 7 800 28,0 12 830 30,0 21 550

методике оценки устойчивости выработок, сооружаемых во льду методом плавления и имеющих форму осесимметричного тела, с учетом её корректировки на основе опыта эксплуатации на территории Бованенковского ГКМ в 1996 г. опытных резервуаров.

Решается пространственная задача о деформировании весомой полубеско-нечной среды, ослабленной полостью, с учетом осевой симметрии. Задача решается методом конечных элементов (МКЭ).

Противодавление в камере принимается равным давлению столба жидкости высотой от башмака колонны до потолочины камеры

При оценке устойчивости, междурядные целики, ограничивающие каждую камеру, приводятся к эквивалентному целику с нагрузкой равномерно

распределенной по всем боковым стенкам камеры (рис. 5). Размеры эквивалентного целика для данных условий системы разработки приняты 8,5 м.

Проведенные расчеты показали, что в зависимости от мощности и глубины залегания песчаных отложений можно добывать песок, создавая устойчивые подземные камеры, следующих объемов (табл. 2):

На рис. 6 в графическом виде показана зависимость объемов гидродобычных камер от мощности песка на глубинах добычи 10 и 40 м.

Выводы

1. Анализ геологического строения территории Бованенковского месторождения показал, что глубинах 10-60 м от поверхности залегают мощные песчаные отложения, находящиеся в мерзлом состоянии. По своему составу и свойст-

57і-і

Рис. 5. Схема приведения размеров разделительных целиков к эквивалентному 216

График зависимости объемов резервуаров от мощности песка

15000

10000

5000

0

10

20 30

M, м

40

Н=10 м Н=40 м

50

1

2

0

Рис. 6. График зависимости объемов резервуаров от мощности песка

вам они могут быть использованы как строительные материалы для обустройства объектов месторождения. Мощность песка колеблется в пределах от 10 до 65 м, наиболее часто встречающаяся - от 15 до 25 м. Эти отложения являются основной базой для СГД.

2. Результаты проведенных расчетов на устойчивость показали, что физико-механические свойства мерзлых пород позволяют создавать устойчивые гидродобычные камеры объемами до 33,5 тыс. м3 .

3. В зависимости от мощности песчаных отложений объем гидродобычных камер изменяется от 8 до 33,5 тыс. м3. На пластах при средней мощности песчаных отложений 15-30 м, гид-

родобычу песка возможно производить мобильными установками в непосредственной близости от объектов потребления объемами от 8 до 20 тыс. м3. При мощности более 30 м целесообразно вести добычу стационарными комплексами большой производительностью. При этом, объем добываемого песка через одну скважину составит до 33,5 тыс. м3, а экономическая эффективность резко возрастет.

4. С увеличением глубины залегания песчаных отложений с 10 до 40 м объемы устойчивых добычных камер снижаюся в 1,5 раза. При этом экономическая эффективность разработки остается положительной.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 217

1. Аренс В.Ж., Бабичев Н.И. и др. Скважинная гидродобыча полезных ископаемых.-М: «Горная книга», 2007.

2. СНиП 34-02-99 Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки.

3. СП 34-106-98 Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки.

4. Отчет по теме: «Выполнение инженерно-геологических изысканий для выбора местоположения площадок кустов газовых скважин на Бованенковском НГКМ в составе стройки «Обустройство сеноман-аптских залежей Бованенковского НГКМ». НТФ «Криос» Воркута,2007. ВТШ

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------

Савич О.И. - кандидат технических наук,

Несмеянова Ю.Б. - аспирантка,

Московский государственный горный университет.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 17 симпозиума «Неделя горняка-2008». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Ж. Аренс.

------------------------------------ ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН

БЕЛОУСОВА Ольга Евгеньевна Математическое моделирование процесса разрушения вокруг цилиндрической выработки 25.00.20 к.т.н.