Подземное хранение газа ПХГ

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

Подземное хранение газа — технологический процесс закачки, отбора и хранения газа в пластах-коллекторах и выработках-емкостях, 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-емкостях, 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 емкостью порядка 340 млрд м³. Наибольший объем резерва газа хранится в ПХГ, созданных на базе истощенных газовых и газоконденсатных месторождений. Менее емкими хранилищами являются соляные каверны, есть также единичные случаи создания ПХГ в кавернах твердых пород.

Подземные хранилища газа (ПХГ) являются неотъемлемой частью Единой системы газоснабжения России (ЕСГ) и расположены в основных районах потребления газа. Использование ПХГ позволяет регулировать сезонную неравномерность потребления газа, снижать пиковые нагрузки в ЕСГ, обеспечивать гибкость и надежность поставок газа.

На территории Российской Федерации эксплуатируется 25 объектов подземного хранения газа, из которых 8 сооружены в водоносных структурах и 17 в истощенных месторождениях.

Рис.1. Действующие и перспективные объекты подземного хранения газа «Газпрома» на территории России

В рамках стратегии по обеспечению надежности поставок природного газа европейским потребителям «Газпром» участвует в проектах в сфере подземного хранения в странах, через территорию которых проходят основные объемы российского экспорта.

Рис.2. Действующие объекты ПХГ, используемые «Газпромом» за рубежом, и перспективные проекты с участием Группы в области подземного хранения газа на

территории зарубежных стран

Процесс закачки газа в ПХГ.

Закачка газа — это его нагнетание в искусственную газовую залежь при заданных технологическим проектом показателях. Газ из магистрального газопровода поступает на площадку очистки газа от механических примесей, затем на пункт замера и учета газа, затем в компрессорный цех, где компримируется и подается на газораспределительные пункты (ГРП) по коллекторам. На ГРП общий газовый поток разделяется на технологические линии, к которым подключены шлейфы скважин. Обвязка технологических линий позволяет измерить производительности каждой скважины, температуру и давление газа при закачке.

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.

Обратно в трубу.

Активный (товарный) газ отбирается за период от 60 до 180 суток. Проходя по шлейфам, он поступает на газосборные пункты, где собирается в газосборный коллектор. Из него газ поступает на площадку сепарации для отделения пластовой воды и

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

механических примесей, после чего направляется на площадку очистки и осушки. Очищенный и осушенный газ поступает в магистральные газопроводы.

Функции ПХГ

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.

Типы газовых хранилищ.

Газовое хранилище представляет собой геологическую структуру или искусственный резервуар, используемый для хранения газа. Работа хранилища характеризуется двумя основными параметрами — объемным и мощностным. Первый характеризует емкость хранилища — активный и буферный объемы газа; второй показатель характеризует суточную производительность при отборе и закачке газа, продолжительность периода работы хранилища при максимальной производительности.

По режиму работы ПХГ подразделяются на базисные и пиковые.

Базисное ПХГ предназначено для циклической эксплуатации в базисном технологическом режиме, который характеризуется сравнительно небольшими отклонениями (увеличением или уменьшением в пределах от 10 до 15 %) суточной производительности ПХГ при отборах и закачках газа от среднемесячных значений производительности.

Пиковое ПХГ предназначено для циклической эксплуатации в пиковом технологическом режиме, который характеризуется значительными приростами (пиками) свыше 10-15 % суточной производительности ПХГ в течение нескольких суток при отборах и закачках газа относительно среднемесячных значений производительности.

По назначению ПХГ подразделяются на базовые, районные и локальные.

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 объемом 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.

Создание ПХГ.

ПХГ сооружаются двух типов: в пористых породах и в полостях горных пород.

К первому типу относятся хранилища в истощённых нефтяных и газовых месторождениях, а также в водоносных пластах. В них природный газ обычно хранится в газообразном состоянии. ПХГ в пористой среде представляют собой искусственные залежи. 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.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

Ко второму типу относятся хранилища, созданные в заброшенных шахтах, старых туннелях, в пещерах, а также в специальных горных выработках, которые сооружаются в плотных горных породах (известняках, гранитах, глинах, каменной соли и др.). В полостях горных пород газы хранятся преимущественно в сжиженном состоянии при температуре окружающей среды и при давлении порядка 0,8—1,0Мн/м2 (8—10кгс/см2) и более. Обычно это пропан, бутан и их смеси.

1. ПХГ в пористых породах.

1.1. Подземные хранилища газа в истощенных месторождениях

Наиболее дешевые и удобные ПХГ, созданные в истощённых нефтяных и газовых залежах. Приспособление этих ёмкостей под хранилища сводится к установке дополнительного оборудования, ремонту скважин, прокладке необходимых коммуникаций.

В случае использования истощенных (отработанных) месторождений, природный газ закачивается в истощенный слой через те же самые скважины, через которые велась добыча.

Первая в мире опытная закачка газа в истощенное газовое месторождение была проведена в 1915 г. в Канаде (месторождение Уэлленд-Каунти), первое промышленное ПХГ емкостью 62 млн м³ было создано в 1916 г. в США (газовое месторождение Зоар, район г. Буффало). В России первое ПХГ в истощенном месторождении было создано в 1958 г. на базе мелких выработанных залежей газа месторождений Куйбышевской (ныне Самарской) области.

1.2. Подземные хранилища газа в водоносных пластах

В тех районах, где нужны резервы газа, а истощённые нефтяные и газовые залежи отсутствуют, газовое хранилище устраивают в водоносных пластах. Для устройства такой залежи необходимо, чтобы водоносный пласт был достаточно порист, проницаем, имел бы ловушку для газа и допускал оттеснение воды из ловушки на периферию пласта. Обычно ловушка — это куполовидное поднятие пласта, перекрытое непроницаемыми породами, чаще всего глинами. Газ поступает в пласт-коллектор по эксплуатационным скважинам. Газ, закачанный в ловушку, оттесняет из неё воду и размещается над водой. Плотные отложения, образуя кровлю над пластом-коллектором, не позволяют газу просочиться вверх. Пластовая вода удерживает газ от ухода его в стороны и вниз. Контроль за возможным продвижением газа вверх по разрезу осуществляется с помощью контрольных и наблюдательных скважин, вскрывающих основной пласт-коллектор и контрольные водоносные пласты

Газовое хранилище в водоносных пластах устраивают обычно на глубине от 200— 300 до 1000—1200 м.

Первое ПХГ в водоносном пласте было создано в 1946 г. в США — ПХГ Doe Run Upper (штат Кентукки). В СССР первое газохранилище в водоносном пласте было создано в 1959 г. в районе г. Калуга — Калужское ПХГ (проектный объем активного газа — 410 млн м³). Крупнейшее в мире хранилище в водоносном пласте — Касимовское ПХГ — было создано в 1977 г. (проектный объем активного газа — 12 млрд м³).

2. ПХГ в полостях горных пород.

2.1. Подземные хранилища газа в соляных кавернах.

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. Наиболее распространен комбинированный способ размыва каверны с применением гидровруба. На пласт соли бурят скважину диаметром 250— 300 мм. Верхнюю часть крепят колонной диаметром 225— 246 мм до зоны, подлежащей размыву. Последняя остается свободной. В скважину почти до забоя спускают два ряда труб. Через первое, считая от оси скважины, кольцевое пространство на забой нагнетают пресную воду, которая омывает стенки незакрепленной части скважины и растворяет

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

соль. Рассол удаляется через центральные трубы. Второе кольцевое пространство заполнено нерастворителем — керосином, соляровым маслом или нефтью, прикрывающим верхнюю часть каверны и не позволяющим соли интенсивно растворяться.

Размыв начинается с образования в нижней части будущей каверны небольшой камеры — гидровруба, которая нужна для скапливания в ней нерастворимых включений и интенсификации последующего размыва. Затем начинают размыв каверны методом снизу вверх: средняя колонна труб постепенно поднимается. Соответственно повышается и уровень нерастворителя. В связи с этим открывается верхняя часть каверны и начинается ее интенсивное растворение. Растворяется и верхняя часть боковых стенок каверны, поскольку закачиваемая в полость свежая вода легче рассола.

После сформирования нижней части каверны начинается размыв верхней. Промежуточная колонна поднимается до проектного уровня размываемой каверны, а вместе с ней и уровень нерастворителя. По мере образования верхней части создаваемой емкости колонна периодически опускается, уровень нерастворителя понижается, этим достигается прикрытие верхняя часть каверны и сдерживается ее расширение. Процесс продолжается до соединения двух частей полости.

Возможны два метода эксплуатации хранилища газа в кавернах. Первый

предполагает переменное давление и наличие буферного объема газа, второй основан на вытеснении газа рассолом при извлечении газа и рассола газом во время его нагнетания. Давление в этом случае изменяется незначительно. Одно из больших достоинств хранения газа в кавернах — высокая производительность скважины.

Глубины залегания ПХГ 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.

Подземные хранилища в соляных кавернах используются преимущественно для покрытия пиковых нагрузок, поскольку могут эксплуатироваться в «рывковом» режиме с производительностью отбора, на порядок превышающей производительность отбора из ПХГ в пористых структурах. В мире создано порядка 70 ПХГ в отложениях каменной соли с общей активной емкостью около 30 млрд м³. На территории России в настоящее время строится 3 ПХГ в соляных кавернах: Калининградское (Калининградская область), Волгоградское (Волгоградская область) и Березняковское (Пермская область).

2.2.Подземные хранилища газа в кавернах, полостях горных пород.

Вкачестве ПХГ используются подземные полости, образованные в результате

отработки полезных ископаемых: во Франции (железорудный рудник с объёмом полостей 5 млн. м3), ФРГ (соляной рудник — 4,8 млн. м3), США (угольная шахта — 4,25 млн. м3).

Обычно выработки-ёмкости имеют высоту не менее 5 м. В комплекс шахтных хранилищ входят вскрывающие выработки (стволы, штольни), выработки вспомогательного назначения (коллекторные выработки, камеры насосных станций, эксплуатационных скважины) и др. Отработанные выработки шахт могут быть использованы при обеспечении герметичности и прочности вмещающих горных пород.

Для изоляции ёмкостей от внешней среды устраиваются герметичные перемычки. С целью повышения непроницаемости массива проводятся работы по его тампонированию. Для герметизации внутренней поверхности шахт используют кремнийорганические соединения типа силикон, а также эмульсии для водорастворимых полимеров в сочетании со смолистыми цементами. Песчаники герметизируют покрытиями из латекса, неопрена с силиконовой смолой и другими добавками. Используется также специальная полимерная плёнка или алюминиевый лист. Изоляцию напыляют или наклеивают на внутреннюю поверхность шахтных хранилищ.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

По схеме вскрытия шахтные хранилища подразделяются на хранилища с вертикальными стволами, наклонной вскрывающей выработкой и штольней (горизонтальной выработкой).

Для сжиженных углеводородных газов общий объём эксплуатируемых шахтных хранилищ в специально построенных горных выработках составляет в США свыше 2 млн. м3, Франции 200 тысяч м3, Бельгии 100 тысяч м3.

На сегодняшний день эксплуатируются два из четырех ПХГ, организованных в отработанных шахтах, это: ПХГ Бургграф-Бернсдорф (калийная соляная шахта, восточная Германия) и ПХГ Лейден (Лейденская угольная шахта, Колорадо, США). Главным фактором для поддержания давления является герметизация хранилища при помощи специальных бетонных пробок, свойств окружающих пород (калийная и каменная соль), а также гидравлической и механической систем уплотнения.