Основные принципы подземного хранения газа в пористых нефтяных или водоносных пластах

Способ эксплуатации: Сжатие и расширение газа, или замещение газа водой.

Преимущество: Высокий процент отбора (отношение расхода/активный объем). Как и в случае хранения газа в соляном пласте, газ из хранилища можно выпустить почти полностью.

Недостатки: Трудно добиться герметичности ствола скважин. При строительстве и эксплуатации шахт стараются по максимуму обеспечить туда приток воздуха и при строительстве ПХГ всю вентиляцию нужно надёжно запечатать. К тому же, далеко не всякая шахта будет герметична чисто по геологическим причинам.

Использование и доля на рынке сбыта: Неравномерность суточная или недельная. В мире всего 2-3 действующих хранилища этого типа. Шведы для этого даже специально вырубили в гранитной скале пещеру и облицевали её изнутри сталью ( Рисунок 3). Так же они хранят свой стратегический запас нефти.

 

 

Рисунок 3 – Схема ПХГ в горной породе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Основные принципы подземного хранения газа в пористых нефтяных или водоносных пластах

 

В природе нефтеносные и газовые пласты сложены из плотных горных пород по свойствам похожих не на песок, а, скорее, на строительный кирпич, а то и на точильный камень. То есть, состоят из твердых, более или менее сцементированных частиц, между которыми существуют связанные между собой пространства, что позволяет просачиваться воде и газу.

ПХГ, созданные в таких породах называют «водоносными хранилищами», потому что хранилище образуется за счет вытеснения жидкости из пористого водоносного пласта. Сам пласт на языке газовиков называется "пласт-резервуар" или "пласт-коллектор". Пустоты и поры горной породы пласта-коллектора в естественном состоянии почти всегда заполнены пластовой водой, пресной или минерализованной, природным газом или нефтегазовой смесью (геологи говорят - "флюидами").

Создание хранилища состоит в частичном вытеснении газом воды из верхней зоны ловушки на периферию пласта.

Для строительства ПХГ в водоносных горизонтах необходимо, чтобы в одном месте присутствовали сразу все необходимые геологические факторы:

• подземная структура в виде свода (купола), покрытого газонепроницаемым слоем - кровлей пласта, имеющим достаточную протяжённость, чтобы обеспечить необходимую емкость хранилища;
• под куполом - коллектор, пласт породы для хранения газа, обладающей достаточными пористостью и проницаемостью, чтобы обеспечить желаемые емкость и продуктивность;
• комплекс непроницаемых пород - покрышку, закрывающую этот резервуар, чтобы исключить утечку газа вверх.

Для организации ПХГ используются относительно небольшие геологические структуры – площадью несколько квадратных километров и часто малоамплитудные. Очень многие используемые структуры имеют разницу высот дна и верхушки купола (амплитуду) всего 10–15 метров.

Если пласт-коллектор водоносный, хорошо проницаемый и достаточно больших размеров, то закачиваемый газ легко вытесняет воду, и его давление стремится к постоянному равновесию с гидростатическим давлением - естественным давлением в пласте.

Сколько газа может быть закачано в пористую среду, зависит от давления в этой среде и её пористости. Пористостью называется отношение объема пор ко всему объему среды. С другой стороны, среда может быть безводной или водоносной. В последнем случае вода находится в открытых порах или промежутках, расположенных между твердыми частицами пористой среды, и газ необходимо закачивать под давлением достаточным для того, чтобы эту воду вытеснить. Но не из всех пор жидкость можно вытеснить газом: если пора замкнута или имеет только одно "горлышко", вода из неё не уйдёт. Поэтому различают полную и эффективную пористости. Для фильтрации важна именно эффективная пористость, при определении которой учитываются не весь объем пор, а лишь соединенные между собой поры, которые могут быть заполнены флюидом извне. Разница как между поролоновой губкой и куском пеноплена: у поролона все поры открыты и эффективная пористость равна номинальной, а у пеноплена все поры закрыты, номинальная пористость очень велика, но эффективная (в смысле, используемом на ПХГ) равна нулю. В куске пеноплена ПХГ не построить. А всё потому, что у пеноплена крайне мала проницаемость – свойство пористой среды пропускать через себя жидкость, газ или газожидкостную смесь под воздействием приложенного перепада давления.

Коэффициент проницаемости пористой среды k является динамической характеристикой пористой среды. Чем больше k, тем легче вода и газ проходят через пласт. Проницаемость пористой среды измеряется в единицах, называемых "Дарси". (Названа в честь французского учёного и инженера-гидравлика Анри Дарси, изучавшего фильтрацию и открывшего законы, которым этот процесс подчиняется).

В работе нефтяников и газодобытчиков та же самая проблема: газ и нефть оказываются заключены в замкнутых порах и не желают покидать пласт. Чтобы "раскрыть" поры нефтяники иногда закачивают в пласт воду с поверхностно-активными веществами, то есть моют гору шампунем. Или пытаются раскачать пласт, сделать породу трещиноватой. Для этого даже взрывали под землёй атомные бомбы.

Если пористость помогает вычислить сколько газа может поместиться в хранилище, то проницаемость позволяет заранее знать, с какой скоростью можно закачивать в хранилище и отбирать из хранилища газ, а значит - правильно рассчитать мощность компрессоров, правильно определить нужное количество скважин и расставить их по площадке ПХГ.

В результате ограниченной проницаемости породы, при закачке газ не полностью вытесняет воду из пласта. Значительная часть её остается в зоне вторжения газа. При этом, из-за того, что проницаемость не может быть одинакова по всей площади пласта, наблюдается, как говорят, "непоршневое" вытеснение воды газом: газ прорывает границу воды и газа отдельными ручейками, в толще газового пузыря остаются островки мокрой породы, вода из которых медленно стекает вниз, к основному слою. При отборе происходит обратный процесс: при ошибках операторов вода прорывается к скважине раньше, чем выйдет весь газ, поэтому отбор приходится вести медленно и вдумчиво.

И, наконец, для того, чтобы оценить качество пласта-коллектора, применяют такой коммерческий параметр, как насыщенность пористой среды флюидом – это отношение объема этого флюида в породе к общему объему ее пор.

Из всего этого следует, что коллектор хранилища должен иметь достаточную проницаемость, обеспечивающую закачку и отбор с достаточной скоростью и при минимальном числе скважин, потому что бурение каждой новой скважины - это работа очень долгая и дорогая. Пласт коллектора должен находиться на доступной глубине, а породы – характеризоваться относительной однородностью (в пласте не должно быть "перегородок" из постороннего материала), это облегчает создание и эксплуатацию хранилища и удешевляет его обустройство.

Пористый пласт, служащий резервуаром, должен быть покрыт другим, как можно более непроницаемым пластом - кровлей, для того, чтобы препятствовать утеканию газа вверх, в другие пласты или выходу его на поверхность земли через трещины. С другой стороны, он должен иметь соответствующую форму, образующую «ловушку».

Геологи начинают думать о строительстве подземного хранилища если проницаемость коллектора не менее 0,3–5 Дарси, мощность – больше 4–6 м, а пористость выше 10–15%. Проницаемость кровли, обычно это спрессованные глины, наоборот, не должна быть более сотых долей милиДарси. На глубине 300–1000 м мощность её должна быть от 5 до 15 м. Объем водонапорной системы коллектора, если нет области ее стока, должен превосходить объем хранилища в несколько сот раз. Иначе заполнение хранилища газом будет затруднено. Говоря обычными словами, водоносный слой должен распространяться на десятки километров вокруг ПХГ, а, в идеале, и иметь выходы на поверхность - через родники на подземных разломах, например.

Рисунок 4 - Типовой набор систем станции подземного хранения газа

 

Газ из магистрального трубопровода с помощью газомоторных компрессоров, газотурбинных установок или турбин с электроприводом закачивается под нужным давлением в водоносный пласт, лежащий между водонепроницаемыми кровлей и подошвой.. Синие стрелки - путь газа при работе в режиме закачки, красные - при расходовании газа из хранилища (а также пути утечки газа из пласта).

Природный газ магистрального газопровода 1 по соединительному газопроводу 2 поступает на территорию станции подземного хранения газа 3. Очищается от пыли в пылеуловителях 4, сжимается в компрессорной станции 5. Затем очищается от паров масла в сепараторах 6, охлаждается в градирне 7 (при сжатии в компрессоре газ сильно нагревается), очищается от остатков масла на установке очистки 8 и поступает на газораспределительный пункт 9. Здесь измеряется его расход по каждой скважине и производится распределение газа по эксплуатационным скважинам 10, через которые газ нагнетается в водоносный пласт 11.

Заполняя поры и трещины горной породы, газ вытесняет воду и скапливается в сводовой части структуры под непроницаемой покрышкой 15, образуя подземное хранилище. Часто в толще осадочных пород наблюдаются выклинивания пластов 16, литологические изменения 18 и другие аномалии. Все эти особенности имеют существенное значение для создания хранилища газа. Большие осложнения могут вызывать разрывные нарушения 20, через которые газ может просочиться из хранилища в вышезалегающие породы и даже прорываться на поверхность земли. За этим следят с помощью контрольных 21 и наблюдательных 22 скважин, вскрывающих основной 11 и контрольный 19 водоносные пласты.

Газ, утекающий из основного пласта, накапливается в контрольном, иногда там образуется вторичная залежь 23. Газа в ней бывает столько, что его можно собирать и использовать в дело.

При отборе газ выходит из хранилища за счет пластового давления по шлейфам 12. Идет на газораспределительный пункт, где очищается от воды в сепараторах 13, измеряется и затем осушается в установке осушки 14, откуда подается в магистральный газопровод 1. Давления в скважинах всегда достаточно для того, чтобы при отборе обойтись без компрессоров.

Для полноты впечатления, нужно учесть, что на реальной станции присутствуют ещё котельная, собственная водокачка с артезианскими скважинами, станции очистки питьевой воды, система канализации, система пожаротушения, электрохозяйство - часто с собственной резервной электростанцией, склады, мастерские, автохозяйство с десятком специальных машин и тракторов, участок буровых работ со своими буровыми вышками. Даже небольшое ПХГ похоже на завод средней величины.

 

3. Эксплуатация ПХГ

 

Основная часть энергии при закачке газа расходуется на оттеснение пластовой воды. Потери на движение газа в газоносной части пласта невелики и при расчётах ими, как правило, пренебрегают.

В жизни хранилища есть два периода: период создания, когда происходит постоянное увеличение рабочего объема (мощности) хранилища, и период циклической работы "отбор-закачка", когда количества отбираемого и закачиваемого газа равны и в момент начала каждого цикла мощность хранилища и его газонасыщенная площадь остаются неизменными.

В период создания, в первый эксплуатационный цикл, газ закачивается в нетронутый водоносный пласт, и начальный запас его в пласте равен нулю. На проектную мощность газохранилище выходит через пять и более циклов отбора-закачки с постепенным наращиванием запаса газа в пласте и процента отбора, при этом обычно растёт и проницаемость породы, и её эффективная пористость. Только через несколько лет после окончания строительства подземное хранилище газа выходит на стабильный режим циклической эксплуатации. За эти годы газоносный объем искусственной залежи приобретает свою окончательную форму, и потом её уже трудно изменить.

В период циклической работы основные параметры, характеризующие работу подземного хранилища – давление, количество газа, объем пор, занятых газом – в каждом цикле в определенные моменты времени принимают одни и те же значения.

Цикл работы газохранилища, продолжительность которого обычно равна одному году, состоит из четырех этапов:

· закачка газа,

· простой – период между окончанием закачки и началом отбора,

· отбор газа,

· простой хранилища – период между окончанием отбора и началом следующей закачки.

На первом этапе производится закачка природного газа в пористый водоносный пласт. Сначала газ начинают закачивать в скважины, ближе всех расположенные к макушке купола. По мере того, как граница воды и газа опускается вниз, в работу включаются всё новые и новые скважины. Это делается для того, чтобы в теле газового "пузыря" не образовались мокрые пятна - островки породы, заполненные не ушедшей водой.

Следующий за закачкой этап – простой газохранилища. В это время газ и вода стремятся войти в равновесие: за счёт избыточного давления оставшегося от закачки и при неизменной массе газа внутри пласта, объем газовой области еще продолжает увеличиваться какое-то время, а давление уменьшаться, стремясь к пластовому. Вода, не ушедшая из области газа или оставшаяся в полузамкнутых порах, просачивается вниз или испаряется. Если бы этот процесс продолжался несколько лет, то газовая область с увеличением ее объема и уменьшением давления до пластового пришла бы в состояние равновесия с окружающей водой.

Далее начинается отбор газа. Технолог-оператор должен регулировать очерёдность включения и расход по каждой из включённых скважин таким образом, чтобы уровень воды повышался равномерно по всей площади ПХГ, чтобы не получилось прорывов воды в область газа и газовые пузыри не оказались изолированы внутри области воды. "Достать" их оттуда будет непростой задачей. (Собственно, точно такая же проблема стоит и перед газовиками и нефтяниками, разрабатывающими природные месторождения. Из-за этого и нельзя резко "открывать кран" на скважине). При этом уменьшается количество газа в газовой полости, уменьшается давление и объем газовой полости.