Для решения проблемы создания подземных резервуарных парков в условиях Российской Арктики имеются реальные предпосылки

В.П. КОНУХИН Кольский научный центр Российской Академии наук, Россия

1. Введение

По оценкам Министерства природных ресурсов РФ и «ВНИИОкеангеологии» суммарные извлекаемые ресурсы морской периферии России в целом по состоянию на 1 июля 2003 года составили более 13.5 млрд. т нефти и примерно 79 трлн. м³ газа. Разведанные запасы нефти и газа на Арктическом шельфе России составляют около трети этих ресурсов.

Однако реальное освоение месторождений углеводородного сырья арктических морей требует решения целого ряда сложных технологических проблем, связанных с особыми климатическими условиями региона и ледовой обстановкой на рассматриваемой морской акватории. Одной из таких проблем является создание транспортно-распределительных систем.

По мнению автора, эффективность транспортно-распределительных систем нефти и газа в Арктике может быть значительно повышена, если в их структуру будут включены подземные резервуарные парки, располагаемые в прибрежных геологических формациях.

Имеются вполне реальные предпосылки для решения проблемы создания подземных резервуарных парков в условиях Российской Арктики.

Основные из них следующие:

- превосходный опыт строительства и эксплуатации подземных хранилищ нефти и газа в странах Скандинавии, имеющих инженерно-геологические условия, близкие к условиям Кольского полуострова и некоторым другим территориям российской Арктики, а также российский опыт в данной области;

- наличие на Европейском севере России геологических формаций и массивов горных пород, пригодных для размещения подземных резервуарных парков большой емкости;

- наличие апробированных технологий и реальной практики скоростного строительства крупных подземных комплексов, включающих в себя подземные сооружения с площадями поперечного сечения до 700 м², в скальных и многолетнемерзлых породах в Российской Арктике.

2. Использование подземных комплексов для хранения нефти и газа в странах Скандинавии

В Финляндии, Норвегии и Швеции построено и эксплуатируется порядка 250 хранилищ нефти и нефтепродуктов с объемами более 50 млн.м . Все они располагаются в высокопрочных кристаллических породах Фенноскандии, что позволяет избегать применения дорогостоящих железобетонных обделок.

Характерным примером таких хранилищ является финское нефтехранилище Порвоо. Его первая очередь емкостью 677000 м³ была построена за 3 года, на вторую емкостью 495000 м3 - затраты времени были ещё меньше. Небольшие подземные хранилища, например в Лахти емкостью 180000 м были возведены за один год.

Отметим некоторые важные технологические подходы, принятые в странах Скандинавии при хранении нефти в подземных резервуарах:
- хранилища сооружаются на такой глубине, чтобы давление подземных вод в любой точке контура выработки превышало напор хранимого продукта;
- необходимая температура при хранении нефти поддерживается с помощью водяной подушки, содержимое которой подогревается через теплообменники.

Для хранилищ газа при повышенном его давлении большое значение приобретает глубина его заложения. Для предотвращения утечек газа по трещинам гидростатическое давление подземных вод по контуру сооружения принимается таким, чтобы оно превышало внутреннее давление газа.

3. Инженерно-геологические условия строительства подземных хранилищ нефти и газа в Российской Арктике

Наиболее вероятное размещение резервуарных парков для накопления и хранения нефти и газа в транспортно-распределительных системах Европейского Севера России будет связано с местами их загрузки в танкеры в районе незамерзающих портов, расположенных на баренцевоморском побережье Кольского полуострова.

Рассмотрим инженерно-геологические условия строительства и эксплуатации этой зоны более подробно.

Кольский полуостров входит в состав Балтийского щита - обширной области древней стабилизации земной коры.

Показательно, что новотектонические нарушения в северной зоне Кольского полуострова сформировали приблизительно ортогональную систему блоков с разломами северо-восточного и северо-западного простирания.

Допустимо прогнозируемый уровень возможных землетрясений в рассматриваемом легионе не превышает 4-5 баллов по десятибалльной системе.

Поскольку северная береговая линия Кольского полуострова представляет собой неотектонические уступы, то наиболее благоприятные площадки для строительства подземных комплексов в данном регионе расположены на некотором расстоянии от береговой линии Баренцева моря.

Лучшими с точки зрения устойчивости подземных сооружений признаются крупные гранитоидные массивы Лицко-Урагубского комплекса раннепротерозойского возраста, где системы «молодых» трещин не являются доминирующими, а в зонах древних нарушений перекристаллизация и высокотемпературный метасоматизм, перешедшие в мигматизацию привели к «залечиванию» проницаемых зон докембрийского заложения.

Хорошие перспективы для выбора площадок и монолитных структурных блоков для размещения крупных подземных хранилищ нефти и газа следует ожидать и в районе Дальних Зеленцов и Териберки.

В качестве примера можно привести характеристику одного из породных массивов, входящих в Мурманский геоблок и расположенного в прибрежной зоне.

Массив сложен плагио-микроклиновыми биотитовыми мигматит гранитами со среднезернистой порфировидной однородной текстурой.
Гранитный массив ограничен зонами трещиноватости, залеченными на глубине. Систем трещин - несколько, со средним расстоянием между ними 150-700 м.

Прочность в образцах породы: на сжатие 148 МПа, на растяжение - 8.3 МПа.

Гидравлические параметры: коэффициент фильтрации на глубинах до 150 м - их 10° - п х 10"2 м/сут; на глубине 150-160 м - и х 10 4 м/сут.

В практике выбора мест размещения подземных хранилищ нефти и газа большое значение придается поиску монолитных структурных блоков в геологических формациях. Исследования, выполненные на северном побережье Кольского полуострова для других целей позволяют утверждать, что такие блоки могут быть найдены на многих площадках побережья.

Рассматривая прибрежную зону материковой части Архангельской области и островов Северного Ледовитого океана внимание исследователей особо привлекают массивы многолетнемерзлых пород, в том числе скальных.

Характерной особенностью этих пород является наличие в них ледяных включений. При этом все естественные трещины, независимо от их генезиса, заполнены льдом или дисперсными льдонасыщенными породами.

При оценке несущей способности, устойчивости и деформативных свойств окружающих подземную выработку многолетнемерзлых массивов их рассматривают как сложную механическую систему, состоящую из природных минеральных отдельностей, блоков и слоев различных размеров и форм, сцементированных льдом или льдонасыщенными дисперсными образованиями.

При значительных размерах ледяных включений в породном массиве вследствие оттаивания происходит осадка пород и резкая дифференциация нагрузок на обделку подземных сооружений.

Из этого следует вывод, что при проектировании подземных сооружений, расположенных в многолетнемерзлых породных массивах, необходимо знать характер и интенсивность всех предстоящих изменений температурного режима в массиве, а также величину и конфигурацию зон оттаивания, образующихся в процессе строительства и эксплуатации таких сооружений, так как создание полости в массиве вносит резкие возмущения в ранее относительно однородное температурное поле.

4. Техника и технология возведения крупногабаритных подземных сооружений в условиях Российской Арктики

При строительстве подземных сооружений в суровых условиях Арктики и в прилегающих к ним районам проектировщикам и строителям пришлось столкнуться с необходимостью решения ряда принципиально новых технических и технологических задач, поскольку традиционные энергоемкие технологии горных работ, предусматривающие поддержание положительных температур в выработках, вызывали значительные трудности и общее удорожание строительства.

Ряд новых технологий связан с вовлечением вмещающих породных массивов в совместную работу с крепями и целенаправленным управлением свойствами и общим состоянием этих массивов.

При использовании анкеров и набрызгбетона для крепления крупногабаритных подземных сооружений в условиях отрицательных температур соблюдался ряд специфических технологических требований, а в тех случаях, когда вмещающий породный массив был представлен трещиноватыми многолетнемерзлыми породами, конструкция комбинированной крепи принималась с определенной податливостью.

Следует отметить, что современные технологии возведения набрызгбетонных крепей позволяют успешно наносить набрызгбетон при отрицательной температуре скальной поверхности и воздушной среды в выработке до минус 10°С. При температуре ниже минус 10°С требовался прогрев приконтурной зоны массива на глубину, обеспечивающую расчетный режим твердения бетона до замерзания.

В составы набрызгбетона в выработках с отрицательными температурами породы и воздуха включаются добавки, обеспечивающие защиту бетона от замерзания при выдерживании его до достижения соответствующей прочности.

Крепление сводов камер монолитным железобетоном. В практике подземного строительства в Российской Арктике были использованы четыре метода бетонирования:

- укладка бетона в утепленную опалубку с твердением смеси до заданной прочности в процессе медленного остывания уложенного бетона;

- метод термоса, в основу которого заложено максимально возможное сохранение и использование тепла, выделяющегося при гидратации цемента:

- метод, основанный на включении в бетонные смеси противоморозных добавок:

- метод с дополнительным подогревом с помощью термоактивных опалубок.

Выбор метода производства бетонных работ при возведении крепей осуществлялся на основе технико-экономического сравнения вариантов с учетом затрат энергии, труда и материалов, а также в зависимости от параметров конкретной конструкции крепи, теплофизических характеристик и теплового режима приконтурного породного массива.

Стоимость 1 м³ готовых объемов крупногабаритных подземных сооружений составила от 86 до 120 долларов США.

5. Заключение

Анализ практики использования подземных резервуаров для хранения нефти и газа в странах Скандинавии, имеющих инженерно-геологические условия близкие к условиям северо-западного региона России, а также оценка конкретных условий и опыта подземного строительства в Российской Арктике позволяет сделать следующие выводы:

1. При создании транспортно-распределительных систем нефти и газа на Европейском Севере России целесообразно включение в их структуру подземных хранилищ нефти и газа, в частности в местах перегрузки продукции в танкеры. Это относится и к нефтеперерабатываемым заводам и предприятиям для сжижения газа.

2. На побережье Кольского полуострова, материковой части Архангельской области и на островах Северного Ледовитого океана могут быть выбраны геологические формации, отдельные массивы скальных пород и площадки, пригодные для размещения подземных резервуаров нефти и газа большой емкости.

3. Имеются эффективные и апробированные технологии строительства и поддержания в устойчивом и безопасном состоянии в течение длительного времени крупногабаритных подземных сооружений в условиях Арктики и Крайнего Севера России, приемлемые с экономической и экологической точки зрения и для возведения подземных резервуаров нефти и газа в рассматриваемом регионе.

Литература
В.П. Конухин Перспективы использования подземных резервуаров в транспортно-распределительных системах нефти и газа на Европейском Севере России.
//Сборник трудов 4-го международного форума: Топливно-энергетический комплекс России: Региональные аспекты. Санкт-Петербург. April 6-9, 2004, р. 94-98.
V.Konukhin The construction of the large-scale underground facilities in the Russian Arctic. //Proceedings of International conference "Underground works: ambitions and realities", October 25-28, 1999, Paris, p. 239-244.
Vladimir P. Konukhin Study of the Effect of the Mining Operation on Crystalline Rock Mass During Construction of Spent Nuclear fuel and High Level Waste Storage Facilities in the Russian Western Arctic. //Proceeding of a European Commission Cluster Conference. November 3-5, 2003, Luxemburg.
Konukhin V.P. Support of large-dimension underground structures. // Изд-во Кольского научного центра РАН. //Apatity, 1991. 146 pp.
Konukhin V.P. Control over properties and state of the rock masses in construction and operation of underground structures. //Изд-во Кольского научного центра РАН. - Apatity. 1992.
Установка платформ для добычи нефти и газа в Северном море. //Изд-во Кольского научного центра РАН. - Apatity. 2001. 87 pp.

Материалы международной конференции "Нефть и газ арктического шельфа - 2004"

Еще статьи на тему "подземных":

Навигаторы подземных коммуникаций

Подземные воды

Безопасность строительства и качество устройства подземных сооружений

«ОЛКОН» расширяет парк подземной техники

Cерия подземных толчков магнитудой 5.2-5.8 произошла у берегов Японии