XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Аннотация: В данной работе рассматривается подземное хранение газа, техническое обустройство газохранилищ, система подземного хранения газа, основные параметры хранилищ, классификация подземных хранилищ газообразных хранилищ, виды естественных резервуаров, переоборудование выработанных шахт под хранение газа, переоборудование нефтепромыслов в подземное хранилище.

Ключевые слова: подземное хранение, газохранилище, выработанные шахты, естественный резервуар.

Подземное хранение газа – технологический процесс закачки, отбора и хранения газа в пластах-коллекторах и выработках-ёмкостях, созданных в каменной соли и в других горных породах.

Подземное хранилище газа (ПХГ) – это комплекс инженерно-технических сооружений в пластах-коллекторах геологических структур, горных выработках, а также в выработках-ёмкостях, созданных в отложениях каменных солей, предназначенных для закачки, хранения и последующего отбора газа, который включает участок недр, ограниченный горным отводом, фонд скважин различного назначения, системы сбора и подготовки газа, компрессорные цеха.

ПХГ сооружаются вблизи трассы магистральных газопроводов и крупных газопотребляющих центров для возможности оперативного покрытия пиковых расходов газа. Всего в мире действует более 600 подземных хранилищ газа общей активной ёмкостью порядка 340 млрд м³.

Техническое обустройство газохранилища должно обеспечивать – бесперебойное функционирование технологической системы по приемке транспортируемого газа и предварительной его подготовке, компримированию и охлаждению, очистке, распределению по нагнетательным и эксплуатационным скважинам, хранению под избыточным давлением, отбору, одно- или многоступенчатой сепарации, редуцированию, осушке и подаче газа в газопровод или непосредственно потребителям.

В настоящее время в России создана развитая система подземного хранения газа, которая выполняет следующие функции:

регулирование сезонной неравномерности газопотребления;

хранение резервов газа на случай аномально холодных зим;

регулирование неравномерности экспортных поставок газа;

обеспечение подачи газа в случае нештатных ситуаций в ЕСГ;

создание долгосрочных резервов газа на случай форс-мажорных обстоятельств при добыче или транспортировке газа.

Каждое подземное хранилище газа, вне зависимости от условий создания и эксплуатации, характеризуется двумя основными параметрами – объёмным имощностным.

Первый характеризует ёмкость хранилища – активный и буферный объемы газа, второй показатель характеризует – суточную производительность при отборе и закачке газа, продолжительность периода работы хранилища при максимальной производительности.

Базовое ПХГ – характеризуется объемом активного газа до нескольких десятков миллиардов кубических метров и производительностью до нескольких сотен миллионов кубических метров в сутки, имеет региональное значение и влияет на газотранспортную систему и газодобывающие предприятия.

Районное ПХГ – характеризуется объёмом активного газа до нескольких миллиардов кубических метров и производительностью до нескольких десятков миллионов кубических метров в сутки, имеет районное значение и влияет на группы потребителей и участки газотранспортной системы (на газодобывающие предприятия при их наличии).

Локальное ПХГ – характеризуется объемом активного газа до нескольких сотен миллионов кубических метров и производительностью до нескольких миллионов кубических метров в сутки, имеет локальное значение и область влияния, ограниченную отдельными потребителями. По типу различают наземные и подземные газовые хранилища. К наземным относятся газгольдеры (для хранения природного газа в газообразном виде) и изотермические резервуары (для хранения сжиженного природного газа), к подземным — хранилища газа в пористых структурах, в соляных кавернах и горных выработках.

Классификацию подземных хранилищ газообразных продуктов разделяют по экранирующим характеристикам пород, по способу строительства, по виду горных пород в которых они создаются, ниже представлена схема 1.

 Виды естественных резервуаров, переоборудование выработанных шахт:

1. Наилучшими ПХГ, сооруженными в пористых и проницаемых горных породах, предназначенными для регулирования сезонной не­равномерности газопотребления, с экономической точки зрения яв­ляются хранилища, построенные на базе истощенных газовых, газо-конденсатных и нефтяных месторождений. Это объясняется тем, что отпадает необходимость проведения геолого-разведочных работ, т.к. известны основные физико-геологические и эксплуатационные параметры пласта-коллектора и его покрышки. Кроме того, на место­нахождении имеется определенное количество эксплуатационных скважин, а также наземный комплекс подготовки газа к транспорту, которые в дальнейшем используются для целей подземного хранения газа.

На рисунке 1 приведена принципиальная схема подземного хранилища в пористых пластах.

Газ из магистрального газопровода 1 по газопроводу-отводу 2 поступает на компрессорную станцию 4, предварительно пройдя очистку в пылеуловителе 3. Сжатый и нагревшийся при компримировании газ очищается от масла в сепараторах 5, охлаждается в градирне, или АВО 6, и через маслоотделители 7 поступает на газораспределительный пункт ГРП 8. На ГРП осуществляется распределение газа по скважинам.

Схема 1 – Классификация подземных хранилищ газообразных продуктов

1 -магистральный газопровод; 2 - газопровод-отвод; 3, 9 - пылеуловители; 4 -компрессорная станция; 5 - сепаратор; 6 - холодильник (градирня); 7 - маслоотделитель; 8 - газораспределительный пункт; 10 - установка осушки газа; 11 – расходомер

 Рисунок 1 - Принципиальная схема подземного хранилища газа

2. Строительство ПХГ в истощенном месторождении – осуществля­ется в два этапа.

На первом этапе производится промышленное за­полнение хранилища газом, на втором – циклическая эксплуатация.

При недостаточной изученности месторождения, низком коли­честве исходной геолого-промысловой и геофизической информации составляется программа доразведки месторождения и повторного об­следования пробуренного фонда скважин, основное внимание обращается на герметичность скважин. Определяются остаточные запасы газа, нефти, конденсата и сопутствующих компонентов, сте­пень и характер выработанности залежей. Остаточные запасы углево­дородов передаются на баланс газохранилища.

Для переоборудования нефтепромысла в подземное хранилище газа, необходимо обследовать и отремонтировать старые заброшенные или негерметичные скважины, изучить состояние и герметичность шлейфов, промысловых нефтепродуктов и другого оборудования для возможности их использования в процессе подземного хранения газа, реконструировать промысловые газопроводы, построить новые установки для очистки и осушки газа, пробурить новые нагнетательно-эксплуатационные скважины.

Параллельно проводятся исследования с целью определения производительности закачки и отбора нагнетательно-эксплуатационных скважин, режима работы хранилища, максимально возможного объема извлечения остаточной нефти, мероприятий по увеличению производительности скважин, изменения состава газа в процессе его хранения и отбора.

Максимальный объем газа, который можно закачать в вырабо­танную нефтяную залежь при постоянном объеме порового простран­ства, состоит из трех объемов газа: закачанного в газовую шапку зале­жи, растворенного в оставшейся нефти, окклюдированного газа, рисунок 2.

3. Подземные хранилища газа, создаваемые в водоносных пластах, образуются за счет вытеснения из пор породы жидкости и накопления газа под непроницаемой покрышкой. Подобные хранилища в основ­ном создаются в «открытых» геологических ловушках, представлен­ных хорошо выраженными куполовидными поднятиями (антиклиналями), недалеко от которых имеется область питания или стока. По мере заполнения хранилища газом давление в нем повышается с од­новременным перемещением границы газового пузыря. Если храни­лище газа создается в «замкнутых» ловушках, в которых не удается оттеснить воду на периферию пласта, создается специальная система отбора воды из пласта через отдельные разгрузочные скважины.

Рисунок 2 – Схематический разрез нефтяной залежи массивного типа в конце разработки

Строительство хранилища газа в водоносных пластах осуществ­ляется в три этапа: геологическая разведка, разведывательно-про­мышленная закачка и циклическая эксплуатация хранилища.

Геологическая разведка позволяет выяснить наличие ловушки, способной аккумулировать газ в требуемых объемах, установить ее площадь, определить характеристики пласта коллектора, покрышки и всего разреза осадочных пород, получить гидрогеологические дан­ные по вскрытым разведочным скважинам, водоносным пластам с указанием степени их взаимосвязанности, определить химический состав, давление и температуру пластовых вод по всему разрезу.

Разведывательно-промышленная закачка газа производится в два этапа: разведывательные работы (определение газогидродина­мических параметров и степени однородности пласта-коллектора, продуктивности скважин, утечек газа и др.) и промышленное запол­нение хранилища газом.

Циклическая эксплуатация хранилища, так же как и эксплуата­ция ПХГ в истощенных месторождениях, включает два многократно повторяющихся цикла: отбор газа из хранилища в период максималь­ного газопотребления и закачку газа в хранилище в период мини­мального газопотребления.

Выбранный для строительства подземного хранилища водонасыщенный пласт должен быть герметичным для предотвращения потери газа при хранении. Здесь главное значение имеют физико-механические свойства пород, покрывающих пласт. Если горные породы кровли хранилища представлены плотными, пластичными глинами или крепкими известняками и доломитами при отсутствии трещин и разломов, то обычно мощности кровли в несколько десятков метров достаточно для предотвращения утечек газа.

На рисунке 3 приведены две возможные схемы эксплуатации ПХГ, создаваемые на базе истощенного нефтяного месторождения и в ло­вушке водонасыщенного пласта. Первая схема характеризуется ма­ломощным пластом и слабоцементированным коллектором. На второй схеме изображена ловушка крепкосцементированным пластом большой мощности. В первом случае из-за наличия нефтяной отороч­ки практически отсутствует поступление воды в хранилище и, следо­вательно, объем изменяться не будет. Хранилище эксплуатируется в газовом режиме.

Во втором случае во время эксплуатации хранилища подошвен­ная вода будет передвигаться вверх при отборе газа, и отступать вниз при его закачке. Следовательно, объем газонасыщаемой части залежи изменяется. При этом часть газа остается в обводненной части кол­лектора. Хранилище эксплуатируется в упруговодонапорном режиме.

а) пласт небольшой мощности в слабосцементированном коллекторе; б) пласт большой мощности в крепкосцементированном коллекторе; ГНК - газонефтяной контакт; ВНК - водонефтяной контакт; ГВК - газоводяной контакт.

 

Рисунок 3 – Схематическое изображение процесса эксплуатации пласта-коллектора

4. ПХГ в каменной соли включает в себя на стадии строительства: технологические скважины, подземные выработки-ёмкости, водорассольный комплекс (водозаборы, насосные станции для воды и рассо­ла, нагнетательные скважины, водо и рассолопроводы, рассолоот-стойники и т.д.), контрольно-наблюдательные скважины, производст­венно-административные здания, инженерные коммуникации рисунке 4. На ста­дии эксплуатации - парк подземных резервуаров, наземный техноло­гический комплекс (компрессорная станция, установки очистки и ох­лаждения газа, узел замера расхода газа, установки подготовки газа к транспорту, газовые шлейфы и коллекторы и др.), производственно-административные здания, инженерные коммуникации.

К настоящему времени при строительстве подземных резер­вуаров применяется в основном технология, основанная в принципе на комбинированной схеме, когда значительная часть выработки от­рабатывается послойно «снизу-вверх», а остальная «сверху-вниз» при заглубленной водоподаче, но с применением относительно не­большого объёма нерастворителя. Такая схема применяется в основ­ном при строительстве резервуаров в пластах средней и большой мощности.

Рисунок 4 – Схема сооружения ПХГ в каменной соли

 

Позднее для целенаправленного воздействия на процесс рас­творения соли с целью его ускорения и более активного воздействия на формирование выработки была предложена технология с исполь­зованием энергии затопленных струй. При этом методе вода подаётся через центральную колонну в выработку в виде четырёх горизонталь­но направленных затопленных струй, формируемых с помощью спе­циальных насадок. По этой технологии построено несколько резер­вуаров геометрическим объёмом от 10 до 60 тыс. м³. Принципиальная технологическая схема эксплуатации подзем­ного хранилища природного газа, созданного в отложениях каменной соли, приводится на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема эксплуатации ПХГ в каменной соли

 Помимо задач сбора и хранения углеводородов подземные резервуары в каменной соли предполагается использовать в технологических целях – для инерционно-гравитационной сепарации газоконденсатных смесей и обводнённых жидких углеводородов, т.е. промысловой подготовки к раздельному транспорту добываемого сырья, рисунок 6.

В настоящее время разработан и освоен в промышленных условиях новый способ сооружения подземных выработок-емкостей через вертикальные буровые скважины в многолетнемёрзлых породах. Сооружение выработки-ёмкости осуществляется методом внутрипластового оттаивания многолетнемерзлых дисперсных горных пород, прежде всего песков с дальнейшей эвакуацией водогрунтовой смеси из выработки.

а) установка промысловой подготовки газа на газоконденсатном месторождении,

б) установка промысловой подготовки нефти

 

Рисунок 6 – Схема промысловой подготовки к раздельному транспорту добываемого сырья

Процесс формально аналогичен процессу подземного растворения каменной соли, но основан на ином физическом процессе – оттаивании мерзлых пород с естественным переводом их из исходного прочного псевдоскального состояния в подвижное, текучее состояние водогрунтовой смеси пульпы, выдаваемой на поверхность земли по скважине в потоке циркулирующего теплоносителя – воды. Однако следует сказать, что для хранения природного газа (метана) подобные хранилища не используются, из-за больших потерь при хранении. На рисунке 7 изображены формы создаваемых подземных резервуаров.

Рисунок 7 – Формы создаваемых подземных резервуаров

Литература

Казарян В.А. Подземное хранение газов и жидкостей: учебное пособие/ В.А. Казарян. – М.: Москва – Ижевск, 2016. – 276 с.

Коршак А.А., Шамазов А.М Основы нефтегазового дела: учебное пособие/ А.А. Коршак. – М.:Уфа. ООО «Дизайн полиграф сервис» 2015. – 258 с.

Код для цитирования: Скопировать