ГАЗОВОЕ ХРАНИЛИЩЕ (а. gas storage; н. Gasspeicher; ф. reservoir а gaz; и. deposito de gas) — природная или искусственная ёмкость для резервирования больших объёмов газа и регулирования его подачи в соответствии с неравномерностью газопотребления. Газовые хранилища сооружаются вблизи трассы магистральных газопроводов и потребляющих центров.
Различают: наземные газовые хранилища — газгольдеры (низкого, среднего и высокого давления), предназначенные для хранения избыточного газа, поступающего в период минимального (ночного) потребления и выдачи его в городскую сеть в период максимального (дневного) потребления; подземные поверхностные газовые хранилища — участки газопроводов от последней компрессорной станции до газораспределительной станции, используемые для выравнивания неравномерности потребления газа в течение суток и недели; подземные газовые хранилища, называемые обычно подземными хранилищами газа (ПХГ), — создаются в естественных и искусственных подземных резервуарах. В отличие от газгольдеров ПХГ обеспечивают сглаживание сезонной неравномерности газопотребления. Наибольшее значение имеют ПХГ, способные вмещать сотни млн. м 3 газа и более. Особый тип газового хранилища — изотермические хранилища сжиженного газа, предназначенные для покрытия т.н. пиковых нагрузок, т. е. при необходимости ускоренного отбора газа. В районах, где невозможно создание ПХГ, но существует значительная неравномерность газопотребления, размещают хранилища сжиженных природных газов (СПГ).
Общее устройство системы и оборудование ПХГ. Расчеты
Наибольшее распространение получили ПХГ. Различают пористые и полые подземные резервуары. К пористым относятся истощённые газовые, газоконденсатные, газонефтяные и нефтяные месторождения, водоносные пласты, а также залежи негорючих газов. В пределах одного такого ПХГ может быть одна или несколько залежей с хранимым газом.
К полым подземным резервуарам относятся полости, создаваемые в отложениях каменной соли (пластах, массивах, куполах, штоках), в непроницаемых или практически непроницаемых горных породах (гипс, ангидрит, гранит, глина и др.), в заброшенных шахтах, карьерах и других горных выработках, в плотных горных породах специальными методами. Наиболее распространены ПХГ в истощённых газовых или газонефтяных месторождениях, создаваемые путём закачки газа через скважины в истощённый продуктивный пласт и ПХГ в водоносных пластах, где вода из порового пространства вытесняется закачиваемым через скважину газом (рис. 1). ПХГ в пористой среде представляют собой искусственные залежи, эксплуатируемые циклически. Определяющие параметры для ПХГ в пористой среде: проницаемость, мощность и глубина залегания пласта-коллектора, объём порового пространства, который может быть заполнен газом, наличие герметичной покрышки под пластом-коллектором, а также активность водонапорной системы.
Из всех типов ПХГ в непроницаемых горных породах наиболее распространены газовые хранилища в отложениях каменной соли, образуемые вымыванием полости в соляном пласте путём нагнетания в него воды с последующей закачкой в полость газа через ту же скважину. Глубины залегания чаще всего 100-1000 м. Пригодность объекта для создания хранилища определяется герметичностью, прочностью и устойчивостью отложений каменной соли и инертностью её по отношению к хранимому продукту, энергозатратами на размыв.
Общие сведения о ПХГ. Классификация ПХГ
Методы размыва — циркуляционный, струйный. Рабочим агентом может быть жидкость (вода, рассол) или газ (азот, выхлопные и топочные газы, метан и т.п.). Породы, вмещающие искусственные газовые залежи, представлены в большинстве случаев песчано-алевритовыми разностями.
Создание ПХГ в карбонатных коллекторах из-за резких колебаний проницаемости связано с серьёзными технологическими сложностями, поэтому ПХГ в карбонатных отложениях сооружаются главным образом на базе истощённых газовых и газоконденсатных залежей, приуроченных к хорошо проницаемым рифогенным образованиям. Общий объём хранимого газа определяется ёмкостью естественной или искусственно создаваемой ловушки и давлением, при котором сохраняется герметичность покрышки.
Этот объём складывается из активного объема газа и буферного объёма газа. В ПХГ, создаваемых в пористых пластах с активным водонапорным режимом, минимальный объём буферного газа определяется допустимым пределом обводнения пластов, при котором обеспечивается безводная эксплуатация. Особенность эксплуатации ПХГ такого типа — их обводнение в период отбора, к концу которого поровое пространство оказывается заполненным смесью воды и газа. Поэтому для таких ПХГ эксплуатационные скважины размещают преимущественно в повышенной (свободной) части структуры.
В систему инженерных сооружений ПХГ входят скважины для закачки и отбора газа, компрессорная станция, система газопроводов, установки охлаждения, осушки и очистки газа (сепараторы, фильтры, абсорберы и адсорберы). Скважины ПХГ оборудуются автоматическими забойными клапанами для исключения возможности открытого фонтанирования.
Важное условие успешного создания и эксплуатации ПХГ — сохранение его герметичности, т. е. предупреждение возможных утечек газа, в основном в вышележащие проницаемые пласты. Существуют гидродинамические, гидрохимические, геологические, газометрические и геофизические методы контроля: наблюдение за давлением, газонасыщенностью, солевым составом вод, составом растворённых газов как по горизонтам хранения, так и по специально выделенным в разрезе контрольным горизонтам.
Для контроля за герметичностью применяют также почвенно-газовую и водно-газовую съёмки, которые позволяют выявить и локализовать все достигающие земной поверхности утечки газа, связанные как с негерметичностью покрышки (тектонические нарушения), так и с негерметичностью скважины. Первое в мире ПХГ было построено в Канаде в Уэлленд-Каунти в 1915.
В США первое ПХГ было сооружено в истощённом газовом месторождении Зоор близ г. Буффало в 1916. Первое в мире ПХГ в водоносном пласте-коллекторе (Хершер) создано в 1953-58 около г. Чикаго. Впервые в мире хранение газа в горизонтальных и пологозалегающих водоносных горизонтах в промышленных масштабах осуществлено в CCCP в 1963 (Гатчинское хранилище под Ленинградом).
Теория этого метода хранения разработана И. А. Чарным. Первое в мире подземное хранилище жидких газов создано в США в отложениях каменной соли в 1950, в CCCP первое опытно-промышленное хранилище жидких газов — в соляной каверне (Башкирская ACCP) в 1959. Наибольшее развитие ПХГ получили в США (табл.).
В Канаде ПХГ обеспечивают 20-25% суточного потребления. В 1976 в них было закачано 2,5 млрд. м 3 газа. ПХГ имеются также в ГДР, ПНР, ЧССР, ФРГ, Франции, Великобритании, Италии, Австрии.
В CCCP первое ПХГ создано в 1958 в истощённом Башкатовском газовом месторождении (Куйбышевская область). В 1959 была начата промышленная закачка газа в Калужское хранилище, созданное в водоносном пласте.
В условиях, когда сырьевая база газовой промышленности перемещается на север Тюменской области и в связи с этим значительно увеличивается протяжённость магистральных газопроводов, основной задачей является обеспечение надёжного газоснабжения потребителей. В этой системе газоснабжения важное место занимают ПХГ. Геологические предпосылки сооружения ПХГ в Европейской части CCCP, где сосредоточены основные потребители газа, весьма благоприятны (истощённые или истощающиеся газовые месторождения Урало-Поволжья, Украины, Северного Кавказа, Азербайджана, а также водоносные пласты центральных районов и Прибалтики). Характерная особенность развития ПХГ в CCCP — увеличение активной ёмкости действующих и строящихся хранилищ.
Как показывают расчёты, наиболее экономичным является расширение крупных базисных хранилищ. Наряду с базисными действуют и создаются новые хранилища вблизи крупных потребителей газа, предназначенные для кратковременного отбора газа в наиболее холодное время.
Типичные ПХГ в истощённых газовых и газонефтяных залежах — Елшано-Курдюмское и Канчуринское. Первое представляет собой крупную антиклинальную складку (13,4х7 км) асимметричного строения с углами падения 1-6°. Глубина залегания 770 и 910 м. Этаж газоносности 14 и 53 м. Коллекторы — песчаники, алевриты и известняки.
Канчуринское ПХГ создано в истощённом газоконденсатном месторождении, контролируемом нижнепермским рифовым массивом размером 5х1,5 км. Средняя глубина 1400 м, этаж газоносности 1450 м. Коллектор (рифовые известняки) характеризуется неравномерной пористостью, кавернозностью и трещиноватостью. Щёлковское ПХГ создано в водоносных терригенных отложениях верхнего и среднего девона, залегающих соответственно на глубине 900 и 1200 м. Представляет собой брахиантиклинальное поднятие размером 6,5•2,5 км, с амплитудой 21 м. Коллектор — песчаники. Созданные искусственно газовые залежи — водоплавающие, массивного типа. Режим работы залежей упруго-водонапорный.
Основной экономический показатель, определяющий эффективность ПХГ, — удельное капитальное вложение в рублях на 1000 м 3 хранимого газа, которое зависит главным образом от объёма хранимого газа и типа хранилища. Наиболее экономичны ПХГ, созданные в истощённых нефтяных и газовых залежах.
ПХГ одновременно с хранением газа могут выполнять и другие функции. На газоконденсатных месторождениях для повышения коэффициента извлечения конденсата применяют обратную закачку в пласт добытого газа после отделения от него конденсата (сайклинг-процесс). Этим обеспечивается поддержание пластового давления.
В холодное время месторождение работает по обычной схеме на отбор, в тёплое — добываемый газ возвращают в пласт, причём из других источников закачивают дополнительное количество газа, эквивалентное отобранному в холодное время. Такой режим эксплуатации газоконденсатных залежей, расположенных вблизи крупных потребителей газа, позволяет повысить конечный коэффициент извлечения конденсата и создавать резервы газа для отбора в холодное время. ПХГ в терригенных коллекторах, содержащих закисные формы железа, очищают закачиваемый в них газ от сероводорода. Проводя закачку cepoводородсодержащего газа в соответствующие пласты в летнее время, можно в зимнее время отбирать очищенный газ.
Развитие криогенной техники позволило создать принципиально новые методы хранения природного газа, основанные на получении и хранении СНГ. К 1976 суммарная мощность заводов по производству СПГ составила 170 млн. м 3 /сут. Кроме соляных каверн, для хранения СПГ сооружаются специальные изотермические хранилища. Основными задачами, решаемыми при хранении охлаждённого до — 162°С СПГ, являются обеспечение безопасности и сведение к минимуму притока тепла и испарения газа.
Создание обычных ПХГ и хранилищ СПГ обеспечивает экономичную и гибкую систему регулирования сезонной и суточной неравномерности газопотребления. Хранилища СПГ построены в США, Канаде, Великобритании, Франции, ФРГ, Нидерландах, Италии, Японии.
Источник: www.mining-enc.ru
XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2021
Виды естественных резервуаров для хранения природного газа
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF
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 м 3 .
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 и мощностным .
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. м 3 . 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
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.
Источник: scienceforum.ru