книги из ГПНТБ / Гофман-Захаров П.М. Проектирование и сооружение подземных резервуаров - нефтегазохранилищ

ЧИТАЛЬНОГО z:.k."' і

Гофман-Захаров П. М. Проектирование и строительство подземных резервуаров-неф- тегазохранилищ. Киев, «Будівельник», 1973 г., стр. 244.

Становление проблемы внедрения подзем­ ного хранения нефтепродуктов относится к середине пятидесятых годов. За этот пе­ риод накоплен весьма значительный отече­ ственный и зарубежный опыт создания под­ земных хранилищ в самых разнообразных горно-геологических условиях.

В книге обобщены и изложены основы про­ ектирования и технологии сооружения наи­ более перспективных типов подземных и за­ глубленных нефтегазорезервуаров. Большое внимание уделено вопросам создания низ­ котемпературных ледогрунтовых хранилищ сжиженных углеводородных газов, а также подземных емкостей в отложениях каменной соли способом размыва через буровые сква­ жины. Освещен комплекс проектно-строи- тельных вопросов по хранилищам шахтного типа и некоторым специальным видам за­ глубленных и подводных резервуаров.

Приведены основные сведения по экономике строительства подземных нефтегазорезер­ вуаров.

Предназначена книга для проектировщиков, инженерно-технических работников, строи­ телей и специалистов нефтегазовой про­ мышленности, занятых сооружением и экс­

ВВЕДЕНИЕ

Решениями XXIV съезда Коммунистической партии Советского Союза по девятому пятилетнему плану развития народного хо­ зяйства предусмотрено дальнейшее расширение и совершенство­ вание индустриальной базы социалистической экономики, а так­ же повышение технологического уровня и эффективности произ­ водства.

Вдальнейшем укреплении топливной базы страны преимуще­ ственное развитие получат нефтяная и газовая промышленность. Выпуск готовой продукции нефтеперерабатывающей промыш­ ленности должен возрасти в 1,5 раза, соответствующим образом должна быть повышена и производительность труда.

Всвязи с высоким уровнем добычи нефти, производства то­ плива и сжиженных газов, огромными пространствами страны, определяющими значительную географическую разобщенность между нефтедобывающими, нефтеперерабатывающими пред­ приятиями и крупными узлами потребления нефтепродуктов, первоочередной задачей в настоящее время является разработка оптимальной транспортно-распределительной системы обеспече­ ния народного хозяйства нефтепродуктами. С учетом технологи­ ческих взаимосвязей эта система должна включать следующие основные элементы: заводские резервуарные парки готовой про­ дукции, транспортно-перевалочные средства, хранилища, распре­ делительные базы у потребителей.

Цель системы — обеспечение бесперебойного выпуска нефте­ продуктов на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ), а также надежное снабжение потребителей при минимальных затратах и без потерь (количественных и качественных).

Потери в системе производства и потребления нефтепродуктов можно разделить на две категории — потери первого и второго рода.

Потери первого рода вызываются несовершенством техниче­ ского состояния транспортно-распределительной системы. Они складываются из «больших и малых дыханий» резервуаров, уте­ чек через неплотности соединений трубопроводов, насосов, арма­ туры, вследствие переливов нефтепродуктов из цистерн й емко­ стей.

Потери второго рода, весьма значительные по экономическому ущербу, вызываются планово-организационными причинами.

Технологический процесс переработки нефти предусматривает непрерывность и равномерность производства на протяжении года. Однако реальный процесс производства нефтепродуктов характеризуется определенными отклонениями, что связано

спричинами внутреннего порядка (технологического характера),

атакже с отсутствием постоянной готовности транспортно-рас-

пределительной системы к равномерному приему продукции

всвязи с сезонными колебаниями потребления нефтепродуктов. Любые нарушения ритмичности производства нефтепродуктов

являются сигналом наличия потерь второго рода. Одной из ос­ новных функций резервуарного парка нефтепродуктов как основного элемента в транспортно-распределительной сис­ теме является аккумулирование запасов для выравнивания ритма работы отдельных узлов (производство, транспорт, потребление).

При интенсивном развитии производства и потребления нефте­ продуктов и сжиженных углеводородных газов емкость резер-

нефтепродуктов таким образом превращаются из складов гото­ вой продукции в своеобразные регуляторы, позволяющие более гибко руководить производственным процессом, его технологией и организацией. Бесперебойность нефтеснабжения народного хо­ зяйства во многом определяется количеством и объемом дей­ ствующих резервуаров, правильностью их размещения по узлам транспортно-распределительной системы и разбивки в соответ­ ствии с номенклатурой нефтепродуктов.

Наиболее массовое распространение в СССР и за рубежом получили традиционные способы аккумулирования нефтепро­ дуктов в стальных наземных резервуарах. Однако резервуарные парки, составленные такими емкостями, характеризуются рядом весьма существенных недостатков, главными из которых яв­ ляются: большой расход стали, повышенная пожаро- и взрывоопасность, большие потери от испарения нефтепродуктов, загряз­ нение воздушного бассейна городов и поселков, отчуждение боль­ ших земельных участков.

Требует решения и проблема аккумулирования сжиженных углеводородных газов (СУГ), производство и потребление кото­ рых из года в год растет. В обычных условиях вследствие высо­ кой упругости паров СУГ находятся под повышенным давлением, возрастающим с повышением температуры. В связи с этим резко утяжеляется конструкция резервуаров для хранения СУГ (удельный расход стали на сооружение таких резервуаров со­ ставляет 250—400 кг/м3 против 20—30 кг/м3 расхода стали на резервуары для бензина, дизельного топлива и др.).

Для строительства хранилищ сжиженных газов со стальными резервуарами высокого давления (до 18 кгс/см2) необходимы огромные площади для соблюдения противопожарных разрывов.

Наземные стальные резервуары для хранения сжиженных га­ зов весьма взрыво- и пожароопасны.

Склады сжиженных газов характеризуются крайне неудовле­ творительными технико-экономическими показателями, несмотря на самые современные технические решения по стальным резер­ вуарам высокого давления (в частности, применение новых круп­ ных сферических резервуаров объемом до 2000 мй).

В связи с этим понятен большой интерес к новым способам хранения жидких углеводородов в подземных емкостях с исполь­ зованием в качестве ограждающих конструкций взамен стальных стенок неметаллических материалов либо окружающих горных пород.

Подземные емкости для хранения нефтепродуктов и сжижен­ ных газов подразделяются на:

сооружаемые шахтным методом в непроницаемых горных по­ родах;

сооружаемые специальными методами в пластичных горных породах;

естественные пустоты и заброшенные горные выработки, при­ спосабливаемые под хранилища;

сооружаемые в отложениях каменной соли методом подзем­ ного выщелачивания через буровые скважины;

подземные и заглубленные железобетонные резервуары; подземные и заглубленные низкотемпературные хранилища

сжиженных углеводородных газов (СУГ) с ледопородной обо­ лочкой;

подземные хранилища нефтепродуктов в вечномерзлых по­ родах;

подводные хранилища нефтепродуктов.

Настоящая книга посвящена проектированию и технологии сооружения наиболее перспективных типов подземных нефтерезервуаров, таких как подземные емкости в соляных формациях, ледогрунтовые изотермические резервуары, хранилища шахтного типа.

В книге обобщены отечественные и зарубежные данные, а так­ же собственный опыт автора при проектировании и сооружении подобных объектов.

По прочим видам подземных нефтегазохранилищ приведены краткие сведения обзорного характера.

Г л а в » I. ПОДЗЕМНЫЕ РЕЗЕРВУАРЫ ШАХТНОГО ТИПА

§ 1. Выбор горногеологических условий, пригодных для,строительства

При проектировании подземных хранилищ нефтепродуктов и сжиженных углеводородных газов необходимо учитывать особен­ ности проведения строительных работ, присущие различным гор­ ногеологическим структурам. Особенно тщательно должны быть выполнены подготовительные работы, включающие изучение гео­ логического разреза, и разведочные работы для определения кон­ кретного пункта заложения хранилища.

При изучении горных пород тщательно исследуют физико-ме­ ханические образцы пород с определением пределов прочности на сжатие, растяжение и сдвиг. Особое внимание должно быть уде­ лено выявлению наличия и характера грунтовых вод. Вскрытие проектного горизонта заложения подземной емкости с помощью шахтного ствола сопровождается пересечением рыхлых пород­ ных отложений, мощность которых может весьма существенно колебаться. Покрывающие породы могут быть сухими, однако в большинстве случаев они бывают обводнены и содержат один или несколько водоносных горизонтов со статическими или дина­ мическими запасами воды и различными гидростатическими на­ порами. С увеличением притока воды возрастает и трудность сооружения стволов. Среди покровных отложений иногда встре­ чаются и плывуны, которые создают наибольшие трудности при сооружении как шахтных стволов, так и выработок-хранилищ. Специальные кессонные, цементационные или замораживающие работы удорожают строительство хранилища на 30—50%- Не­ правильная оценка покрывающих и вмещающих горных пород может привести в дальнейшем к утечке углеводородов, что чре­ вато опасностью-возникновения пожаров и взрывов.

Хранение нефтепродуктов и сжиженных газов в подземных емкостях шахтного типа практически осуществимо в тех местах, где на определенной глубине имеются мощные устойчивые отло­ жения естественно непроницаемых горных пород или пород, под­ дающихся герметизации с помощью сравнительно . несложных инженерных мероприятий.

Горные породы считаются пригодными для сооружения нефте- *" газохранилищ, если они не фильтруют хранимый продукт, не со­ держат включений, влияющих на кондицию хранимого продукта,

устойчивы против горного давления и допускают исключение ан­ керной крепи.

К устойчивым горизонтальным породам (коэффициент крепо­ сти по М, М. Протодьяконову 3—10) в первую очередь могут быть отнесены такие монолитные осадочные метаморфические и изверженные породы, как мел, гранит, плотные известняки, гип­ сы, глинистые сланцы.

При накоплении достаточного опыта, видимо, появится воз­ можность осуществлять строительство и в других газонепрони­ цаемых породах (кварцитах, доломитах, аргиллитах, алевритах, плотных глинах, песчаниках и др.). Не рекомендуется сооружать подземные емкости шахтным способом под мощными (более 40 м) ледниковыми отложениями, содержащими обычно водонесущие пески и гравий, а также под кровлей из аллювиальных пород, требующих обязательного сплошного крепления.

Породы, вмещающие каменный уголь, газ и нефть, не могут быть рекомендованы для размещения в них подземных резервуа­ ров, так как им всегда сопутствуют пористые газопроницаемые структуры.

В соответствии с требованиями «Временных указаний на про­ изводство и приемку работ по строительству подземных храни­ лищ в устойчивых горных породах» (СН 314—65) данные геоло­ гических и гидрогеологических изысканий должны быть пре­ дельно уточнены с. помощью бурения трех разведочных скважин по вершинам равностороннего треугольника, описанного вокруг будущего ствола подземной емкости. Данные детальной разведки и образцы пород с характеристикой их физико-механических свойств должны быть по акту переданы строительной органи­ зации.

§ 2. Проектная глубина заложения

подземного хранилища

Глубина заложения подземного хранилища шахтного типа определяется в первую очередь наличием в заданном пункте до­ статочно мощного пласта непроницаемой горной породы, при­ годной для сооружения емкости. Очевидно, что затраты на строи­ тельство и эксплуатацию шахтного хранилища нефтепродуктов прямо пропорциональны глубине его заложения, т. е. более мел­ кое заложение хранилища всегда предпочтительнее. Однако су­ ществует ограничение минимальной глубины размещения под­ земных камер, определяемое расчетной упругостью паров храни­ мой жидкости при температуре эксплуатации. Это ограничение практически не касается таких стабильных нефтепродуктов, как бензин, дизельное топливо и пр., а относится в основном к сжи­ женным углеводородным газам (пропан, бутан, пропилен и их смеси).

Во избежание вспучивания и разрушения пород, лежащих над хранилищем, вес этих пород должен несколько превышать мак­ симальное рабочее давление паров углеводородов.

В связи с этим глубину заложения шахтного хранилища сжи­ женного газа рассчитывают из условия: на каждую атмосферу давления внутри емкости должно приходиться не менее 4,5 м по­ крывающих пород.

С поверхности сжиженный газ (например пропан) может по­ ступить в хранилище при максимальном расчетном давлении по­ рядка 18 ат. Следовательно, в данном случае минимально до­ пустимое заглубление хранилища составляет 18X4,5=81 м. При таком проектном решении возможность трещинообразования в стенах подземной камеры под воздействием избыточного дав­ ления паров пропана снижается до минимума.

Этот метод определения минимальной глубины заложения шахтного хранилища для сжиженных углеводородных газов в на­ стоящее время принят в США в качестве стандартного.

Наиболее ходовым для заложения подземных хранилищ сжи­ женных углеводородных газов является интервал глубин 80—

150м.

§3. Выбор схемы осуществления

сливо-наливных операций

Независимо от способа подачи нефтепродукта или сжижен­ ного газа на площадку подземного хранилища закачка его в под­ земную емкость может осуществляться с помощью насосов или с использованием гидростатического напора (для сжиженных газов).

Упругость паров сжиженных углеводородов изменяется в за­ висимости от температуры (чем выше температура, тем выше давление).

Сжиженный газ (к примеру, пропан), доставляемый на пло­ щадку в зимнее время, может иметь температуру минус 10—15°, что соответствует давлению 2,8—3,0 кГ/см2. В то же время темпе­ ратура продукта в подземной емкости обычно не опускается ниже плюс 10° (давление порядка 6 кГ/см2). Таким образом, в зимнее время разность давления сжиженного газа на поверх­ ности и в подземной емкости может достичь 3—5 кГ/см2. В этих условиях для обеспечения возможности подачи продукта в под­ земную емкость необходимо компенсировать упомянутую раз­ ность давлений соответствующим гидростатическим подпором.

Необходимая разность уровней опорожняемой и заполняемой (подземной) емкости определяется из соотношения

Для обеспечения не зависимого от гидростатики и темпера­ турных условий слива продукта в подземное хранилище обычно на поверхности предусматриваются насосные установки. Приме­ няют центробежные, поршневые и шестеренчатые насосы.

Сливать сжиженный газ из поверхностных транспортных емко­ стей в подземное хранилище можно за счет вытеснения сжижен­ ного газа природным.

Опорожнять подземные хранилища от хранимых продуктов можно путем вытеснения их природным или инертным газом, а также с помощью глубинных погружных насосов. Выкачивают продукт из подземного хранилища обычно одним, двумя или группой насосов.

Выработки-хранилища, как правило, должны иметь уклон 0,002—0,005 в сторону расположения насосов для отбора про­ дукта, чаще всего к стволу емкости. В нижней части ствола устраивается углубление, именуемое зумпфом.

Глубинный насос, предназначенный для отбора хранимого продукта, опускается в емкость по специальному трубопроводу, доходящему точно до дна зумпфа и снабженному клапанами для обеспечения герметичности при подъеме насоса на поверхность.

Следует обратить внимание на специфику насосной перекачки таких легколетучих сред, как сжиженные углеводородные газы. Обычные поршневые и центробежные насосы при заглубленном расположении зеркала жидкости не могут откачивать сжиженные газы, так как во всасывающем патрубке вследствие разрежения происходит резкое «вскипание» жидкости и образуется паровая пробка.

Внастоящее время созданы системы насосов, обеспечивающие перемещение сжиженных углеводородных газов из заглубленных емкостей.

Вцентробежном самовсасывающем насосе предусмотрены уве­

личенные проходные сечения рабочего колеса первой ступени, в результате чего скорость потока газа уменьшается и не проис­ ходит такого резкого снижения давления во всасывающем пат­ рубке. Образовавшаяся здесь парожидкостная смесь сжимается