Проблеми деформування геологічного середовища в зоні підземних сховищ газу (ПСГ) в кам'яної солі та їх контроль

д.г-м.н. Синяков В.М., Литвинов С.А.

ПСГ є важливим і необхідним елементом газотранспортної системи, тому що вони дозволяють згладити негативні наслідки нерівномірного газоспоживання. Якщо подача газу по магістральних газопроводах проводиться з практично постійною швидкістю, то споживання газу, а отже і його дефіцит, різко зростає в холодну пору року. Нерідкі також короткочасні періоди дефіциту газу в тому чи іншому газоспоживаюче районі внаслідок різких заморозків, аварій на газопроводі та інших причин. Саме для покриття таких, короткочасних періодів дефіциту газу в газотранспортній системі призначені так звані пікові ПСГ, які створюються зазвичай у вигляді групи підземних резервуарів у кам'яній солі. ПСГ в кам'яної солі, хоча і поступаються приблизно на порядок газосховищ, утворюваних у водоносних горизонтах або виснажених газових родовищах, на обсягом збереженої газу, зате перевершують останні також приблизно на порядок, швидкості можливого відбору газу. У Росії в даний час ПСГ в кам'яної солі відсутні. Єдине в СРСР таке ПСГ було побудовано понад 20 років тому під Єреваном і успішно зарекомендувало себе як гарант надійного газопостачання міста. У той же час у світовій практиці газової промисловості успішно функціонують багато сотень газових резервуарів в солі.

ВАТ "Газпром" прийняло Концепцію розвитку пікових ПСГ в солі на період 1997 - 2015 р.р., яка передбачає будівництво 10 пікових ПСГ із загальним геометричним обсягом 40 950 тис. м3 на глибинах від 300 до 1500 м. Першим з них є будується Волгоградське ПСГ із загальним геометричним об'ємом підземних резервуарів 4 350 тис. м3.

При створення (шляхом розчинення кам'яної солі) підземних виробок - ємностей відбувається зміна напруженого стану масиву гірських порід, що викликає зменшення обсягу виробленого простору. Так як кам'яна сіль має реологическими властивостями, зменшення обсягу резервуарів (конвергенція) під дією гірничого тиску буде відбуватися і під час експлуатації, особливо в періоди відбору газу зі сховища при значному зменшенні тиску газу в резервуарах. Конвергенція підземних резервуарів у свою чергу спричиняє осідання та інших деформацій земної поверхні. При цьому на поверхні формується так звана мульда осідання. Центральна, максимально знижена частина мульди знаходиться під центральною частиною ПСГ і має субгорізонтальную поверхню. Максимальні ухили поверхні формуються на периферії мульди. Необхідно відзначити, що загальний вигляд мульди (макродеформаціі земної поверхні) визначається деформаціями покрівлі підземного комплексу сховища в цілому, а деформації покрівлі окремих резервуарів формують мікродеформації земної поверхні, що згідно з розрахунками [1, 2, 3] складають не більше 10 % Від величини макродеформацій. Осідання земної поверхні може негативно впливати на стан будівель і споруд, що знаходяться в зоні деформацій. Тому велике значення мають методологія контролю і прогнозування цих процесів, а також заходи інженерного захисту. Вітчизняна практика будівництва і експлуатації ПСГ не має в своєму розпорядженні на сьогоднішній день достатнім обсягом спостережень, інструментальних вимірів, досвідом прогнозування деформацій земної поверхні і, тим більше, апробованими галузевими нормативними документами по захисту наземного комплексу ПСГ від підробки. З науково-дослідних робіт з даної проблематики найбільший інтерес представляють дослідження Е.М. Шафаренко, В.А. Казаряна, В.Г. Хлопцова, В.І. Смирнова, А.Б. Розанова [1, 3, 4, 5]. У результаті розрахунків деформацій земної поверхні на майданчику Волгоградського ПСГ виявлено [2, 3], що вплив виробок, розташованих на глибині 1150 - 1220 м у VIII рітмопачке кунгурского ярусу нижньої перму пошириться на 840 м, а в рітмопачках V, VI (глибина 1350 - 1460 м) - на 1018 м. При цьому протягом розрахункового терміну експлуатації не виникне обвалень порід або розривів суцільності, як в околиці виробок - ємностей, так і в вышележащем масиві гірських порід. Максимальна осідання земної поверхні, передбачувана в центральній частині майданчика, складе 0,086 м. Швидкість осідання поверхні складе в центрі майданчика 0,0014 м на рік, а на периферії близько 0,001 м на рік, що не зробить серйозного впливу на конструкції і споруди.

Велике значення для стану будівель і споруд ПСГ мають ухили земної поверхні, що формуються при її осідання. Відповідно до прогнозу [2, 3], ухили поверхні на майданчику Волгоградського ПСГ складуть порядку 10-4, що значно менше природних (10-2).

Так як не виникнуть порушення суцільності породного масиву, не відбудеться порушення водоупоров. Таким чином, будівництво підземних резервуарів і що виникають у зв'язку з цим деформації не приведуть до скільки-небудь помітного впливу на геосреду. В [3] встановлено, що планувальні та гірські заходи по порівняно з традиційними будівельними заходами є найбільш ефективними при захисті наземного комплексу ПСГ від підробки. Серед гірських заходів захисту наземного комплексу ПСГ від підробки найбільш ефективним і привабливим є збільшення відстані між технологічними свердловинами або розмірів междукамерних ціликів, тому що це не призводить до зменшення сумарного геометричного обсягу підземних резервуарів, ускладнення технології їх спорудження та експлуатації. Дане положення повною мірою врахована при проектуванні [2] розташування підземних резервуарів і розміщенні майданчика компресорної станції Волгоградського ПСГ, що дозволило значно скоротити обсяги капвкладень по фундаментам під газоперекачувальні агрегати, як найбільш вразливі об'єкти при опадах, так як масивні фундаменти під компресорні агрегати сприймають деформації земної поверхні в співвідношеннях, близьких до співвідношенням модулів деформацій грунтового масиву та матеріалу фундаментів. У [6] зазначається, що розрахунок підземних ємностей з використанням сучасних математичних моделей може не досягати необхідної точності через похибок завдання в моделі властивостей, будови масиву, недообліку тектонічних напруг і т.д. Це твердження можна віднести і до прогнозів поверхневих деформацій. Тому, незважаючи на сприятливий прогноз, необхідно в рамках поточного геоекологічного моніторингу ПСГ проводити спостереження за деформаціями масиву гірських порід. Результати цих спостережень будуть використані для контролю осідання поверхні (відповідність прогнозу), уточнення прогнозу на наступний період, а також для накопичення науково-практичних даних з метою формування та уточнення нормативно-методичних рекомендацій. Основним інструментом цих спостережень є геодинамічний полігон.

Враховуючи відносно прості геологічні умови майданчика ПСГ (спокійне залягання шарів - за даними розвідувального буріння, відсутність діз'юнктівних порушень -- встановлено в результаті майданних сейсмогеофізіческіх досліджень), в як геодинамічного полігону можна рекомендувати дві маркшейдерських профілю на головних осях нульової ізолінії осідання. Профілі слід виконувати в відповідно до вимог "Інструкції з маркшейдерським і топографо-геодезичних робіт в нафтовій промисловості РД 39-0147139-101-87 ". На кінцях кожного профілю за межами нульовий ізолінії осідання повинні бути встановлені глибинні репери, а між ними з інтервалом 200-300 м встановлюються грунтові репери (марки). Глибинний репер являє собою обсадних труб діаметром 219,1 мм, Зацементовані всередині і зовні тампонажні цементом зі щебенем. У гирлі труби (на 1,5 м) встановлюється металевий стрижень діаметром не менше 25 мм з овальної верхньою частиною і теж цементується. Навколо кожного репера влаштовується курган квадратної форми (довжина сторони 2,5 м) з дренажними канавками. Загальна кількість грунтових реперів (марок) - 40 шт. До початку будівництва підземних резервуарів повинен бути проведений фоновий завмер відміток реперів нівелюванням III класу. Періодичне нівелювання (1 раз на рік) на етапі будівництва і (2 рази на рік при максимальному і мінімальному тиску в підземних резервуарах) при експлуатації ПСГ дасть необхідний матеріал для контролю та прогнозування деформацій земної поверхні. При проведенні ремонтних робіт на підземних резервуарах слід проводити [2] їх звуколокаціонную зйомку для контролю їх форми та об'єму.

Планово-висотні вимірювання проводяться на етапі будівництва через 12 місяців після закладення реперів на початковому етапі будівництва ПСГ (буріння свердловин). Другий етап -- через 1 рік після початку розмиву резервуарів і закачування розсолу. Вимірювання проводять перед початком розмиву і після досягнення 50% об'єму і після закінчення будівництва кожного резервуара. На етапі експлуатації вимірювання здійснюються після виведення ПСГ на повний обсяг і потім перші 2 роки після закачування і після відбору. При відсутності коливань у межах похибок приладів подальші вимірювання проводяться 1 раз на 2 роки. Через 7 років проводять другий цикл вимірів. У разі відсутності коливань наступні призначають через 3-5 років. Крім того, доцільно проводити гравіметрічесіе та магнітні зйомки кожні 5 років до виведення ПСГ на проектну потужність і потім кожні 10 років.

Для контролю за напружено-деформований стан породного масиву застосовують метод об'ємної сейсморозвідки, для чого на майданчику і поза її розташовується мережа сейсмопріемніков і пункт прийому та обробки інформації. Сигнали записуються постійно, тим самим в комплексі з іншими методами контролю буде забезпечено безперервне спостереження за надрами.

Список літератури

Смирнов В.І., Розанов А.Б., Баклашов І.В., хлопців В.Г. Оцінка параметрів зсовування земної поверхні над ПСГ в кам'яної солі// Газова промисловість, 1998, 11, С. 24-26.

ТЕО Волгоградського ПСГ. 000 "Подземгазпром". М., 1998.

Розанов А.Б. Обгрунтування заходів захисту наземного комплексу підземних сховищ газу від підробітки. Канд. дисс., Москва, 1999, УДК 622.692.24

Шафаренко Е.М. Тривала стійкість підземних гірничих виробок у відкладеннях кам'яної солі. Дисертація ... докт техн. наук. - Новосибірськ, ІГД СВ АН СРСР, 1985.

Казарян В.А., Шафаренко Е.М. Контроль стану підземних резервуарів для забезпечення надійності та безпеки експлуатації підземних сховищ. Звіт по НДР (дог. 38/97)/ТОВ "Подземгазпром". - М., 1998.

Синяков В.Н., Кузнецова С.В., Миколаїв Ю.П. Геоекологічні проблеми розробки родовищ солей та створення підземних ємностей в соляних масивах. Поволзький екологічний вісник, вип. 2., Волгоград, 1995.