книги из ГПНТБ / Ширковский, А. И. Добыча и подземное хранение газа учебное пособие

Первое в мире подземное хранилище жидких газов создано в. США в месторождениях каменной соли путем выщелачивания пресной водой в 1950 г. Суммарная геометрическая емкость таких, подземных хранилищ газа в 1972 г. составляла 28,5 млн. м3.

В1969 г. таких хранилищ было 576.

Втабл. 23 приведены данные об объемах подземных храни­ лищ, сооруженных в соляных отложениях и в горных выработках на 1969 г.

Из данных табл. 23 видно, что большинство подземных хра­ нилищ построено в соляных отложениях. Большинство из них. имеет геометрический объем от 10 до 20 тыс. м3. Подземное хра­ нение газа широко используется и в других странах мира: Канаде, Франции, Англии, ФРГ, Польше, Румынии, Венгрии, Чехослова­ кии. Общая геометрическая емкость подземных хранилищ жидких, газов в некоторых капиталистических странах на 1969 г. (в тыс. м3) . Алжир — 38; Бельгия — 41; Италия — 44; ФРГ — 54; Англия — 95; Франция—1179; Канада— 1009.

§ 32. Цели подземного хранения газа

Современная система дальнего газоснабжения в общем случае может состоять из сложного и дорогостоящего комплекса промыш­ ленных сооружений: 1) источников газа (газовых, газоконденсат­ ных или газоконденсатно-нефтяных месторождений); 2) установок для очистки, осушки газа, добычи конденсата и подготовки газа к транспорту; 3) установок использования энергии пластового давления для получения холода, механической работы, электро­ энергии; 4) конденсатоперерабатывающего завода; 5) магистраль­ ного газопровода; 6) подземного хранилища газа; 7) городской газораспределительной сети.

Сооружения системы дальнего газоснабжения характеризуются большими начальными капитальными вложениями, сложным раз­ нообразным оборудованием, большими затратами материалов (осо­ бенно стали и цемента). Для эксплуатации системы дальнего газоснабжения требуются большие затраты труда и энергии.

120

где QCp = Qr/12; Qr — объем годо­ вого потребления газа в м3.

По данным М. В. Сидоренко, в Москве в зимний период по­ требление газа возрастает почти в 14 раз. Объем газа, используе­ мый в зимнее время для отопления жилых и промышленных зда­ ний, изменяется от 9 до 15% от объема общего годового потреб­ ления газа.

Отношение максимального месячного потребления газа к сред­

Таким образом, необходимо создание подземного хранилища газа, в котором будет храниться летний избыток газа, а зимой его можно выдавать потребителю при ритмичной работе магистраль-

Резерд58% ЦЧ58%

ИспользоВаЩеспечение мне произвол потребдительностир, мости, %

90 76 5Z 9 0 75 6 3

1,23 т U8 0.31 ОМ 0.7В 0.74 В.77 0.73 0.95 1.15 1.33

ного газопровода со среднегодовой производительностью. Заштри­ хованная площадь на рис. 27 представляет объем газа, который необходимо закачать и хранить в подземном хранилище в летние месяцы.

Объем газа для выравнивания сезонной неравномерности га­ зопотребления можно рассчитать тремя методами: 1) по числу градусодней недостатка температуры и количеству тепла, необхо­ димого на один градусодень недостатка температуры; 2) по нор­ мам расхода газа на отопление по всем категориям потребителей;

3)по коэффициентам месячной неравномерности газопотребления. Зная коэффициенты месячной неравномерности газопотребле­

ния, объем газа, подлежащего хранению Qa, можно определить по формуле

122

Пример 16. Определить относительный объем газа, подлежащего хранению для Москвы по коэффициентам месячной неравномерности газопотребления, при­ веденным в табл. 24.

Qa

123

Если подземного хранилища нет, в уравнении (165) вместо Q подставляем максимальное среднесуточное потребление газа Qmax в самый холодный месяц (декабрь, январь); если подземное хра­ нилище есть — среднесуточное потребление газа за год Qcp По­ скольку Qm ax>Qcp, при отсутствии подземного хранилища капи­ тальные вложения в магистральный газопровод и КС будут боль­ ше (на 20—30% по сравнению с расчетом по QCp).

Для газопровода длиной 1000 км с пропускной способностью 10 млн. м3/сут экономия капитальных вложений при расчете на постоянную среднегодовую производительность Qcp в 10 раз пре­ вышает затраты на сооружение подземного хранилища, а доля затрат на хранение газа в общих затратах франко — потребитель для большинства районов составляет 8—10% [20]. В табл. 25 при-

Т а б л и ц а 25

Технико-экономические показатели различных методов покрытия сезонных колебаний газопотребления в Москве

ведены технико-экономические показатели вариантов покрытия сезонных колебаний газопотребления в Москве.

3. Создание условий для ритмичной работы источников газа сооружений магистрального газопровода с постоянной среднегодо­ вой производительностью при коэффициенте использования уста­ новленной мощности КС, близком к единице.

При отсутствии подземного хранилища газа мощность системы транспорта газа используется лишь на 60—65%. При равномер­ ной работе источников газа и магистрального газопровода с по­ стоянной среднегодовой производительностью и коэффициентом использования установленной мощности, близким к единице, число эксплуатационных скважин на газовом промысле и общее число компрессоров на компрессорных станциях магистрального газопро­ вода может быть снижено на 15% •

При строительстве подземных хранилищ газа для уже рабо­ тающих газопроводов можно увеличить коэффициент загрузки ма­ гистрального газопровода и объем перекачиваемого газа потре­ бителю.

124

В 1960 г. путем устранения сезонной неравномерности газопотребления по газопроводам можно было бы дополнительно пе­ рекачать 7 млрд, м3 газа, а себестоимость транспорта газа сни­ зить на 20% (добыча газа в 1960 г. составила 47,2 млрд. м3).

4.Создание государственных запасов газа (топлива и сырья для химических заводов) в необходимых районах страны.

5.Сохранение нефтяного газа в новых нефтедобывающих райо­ нах и углеводородного конденсата при временной невозможности его использования.

6.Увеличение коэффициента нефтеотдачи в старых нефтедобы­ вающих районах в случае создания подземных хранилищ в выра­ ботанных нефтяных месторождениях.

7.Создание запасов сырья и топлива перед нефтехимическими комбинатами и запасов готовой продукции после их выработки. Нефтяной газ поступает на завод неравномерно по месяцам года. Потребление продукции завода по месяцам года тоже неравно­ мерное по различным причинам. Завод работает со среднегодо­ вой производительностью. При временном затруднении с реализа­ цией готовой продукции очищенного газа и газового бензина газо­

бензиновый завод должен останавливаться, что связано с крупным ущербом для народного хозяйства.

8. Уменьшение мощности завода по очистке от сероводорода и углекислоты и производству газовой серы. При наличии подзем­ ного хранилища очищенного газа такой завод рассчитывается на среднегодовой расход, при отсутствии хранилища — на максималь­ ный среднемесячный зимний расход. Превышение максимальногосреднемесячного расхода над средним годовым на газовом место­ рождении Лак во Франции составляет 2,5 млн. м3/сут.

Капитальные вложения в завод по очистке газа и производ­

подземное хранилище— 16,25 млн. долл., годовые эксплуатацион­ ные расходы — 0,5 млн. долл. Приведенные цифры показывают несомненные преимущества строительства подземного хранилища очищенного газа вместо увеличения мощности завода.

9. Повышение надежности работы системы дальнего газоснаб­ жения в целом.

§ 33. Географические условия расположения подземных хранилищ газа

Подземные хранилища газа, как правило, сооружаются вблизи трассы магистрального газопровода и потребляющих центров.

Подземное хранилище Бейн во Франции расположено на расстоянии 40 км от Парижа и 29 км от кольцевого газопровода высокого давления. Подземное хранилище Хершер расположена в 88 км от г. Чикаго и 27 км от трассы магистральных газопро­

125

§ 34. Глубина залегания пластов для строительства подземных хранилищ газа

Если в геологическом разрезе имеется несколько пластов, бла­ гоприятных для создания в них подземного хранилища газа, выбор

В каждом конкретном случае имеется только одна наиболее экономически выгодная глубина для сооружения подземного хра­ нилища газа. На рис. 28 показаны зависимости капитальных вло- . женин и себестоимости хранения газа от глубины залегания пла­ ста. Из графиков видно, что наиболее благоприятный интервал глубин изменяется от 400 до 700 м [25].

126

§35. Максимально допустимое давление при создании

иэксплуатации подземного хранилища газа

Во многих случаях в районах крупных центров газопотребления нет частично выработанных газовых или нефтяных залежей, пригодных для создания подземных хранилищ газа. Однако в геологическом разрезе пород этих районов почти всегда имеются водонасыщенные пласты, в ловушках которых можно создать под­ земные хранилища газа.

Для закачки и отбора газа необходимо пробурить определенное число скважин, построить сооружения для очистки газа от твер­ дых и жидких примесей при закачке и осушке его от воды перед подачей потребителю. Как правило, нагнетательно-эксплуатацион­ ные скважины бурят в сводовой части, наблюдательные — на крыльях складки.

Повышение давления при закачке газа в пласт способствует сокращению сроков строительства подземных хранилищ, уменьше­ нию числа нагнетательных скважин, кроме того, в процессе хра­ нения приводит к увеличению объема хранящегося газа и дебитов скважин, увеличению бескомпрессорного периода подачи газа потребителю из хранилища и повышению коэффициента нефтеот­ дачи при подземном хранении газа в выработанных нефтяных месторождениях, уменьшению мощности компрессорной станции при отборе газа.

Однако при чрезмерном повышении давления возможны раз­ личные вредные последствия: раскрытие существующих или обра­ зование новых трещин в кровле хранилища, подземные потери газа, взрывы и пожары в зданиях при скоплении в них газа, об­ разование кристаллогидратов углеводородных газов в скважинах. Важное значение имеет также темп возрастания давления в под­ земном хранилище: чем меньше темп возрастания давления, тем на большую величину можно повысить давление.

Максимально допустимое давление в подземном хранилище за­ висит от:

глубины залегания пласта и размеров площади газоносности;: объемного веса пород над площадью газоносности; структурных и тектонических особенностей пласта, его кровли,,

а также пластов над кровлей; прочности, плотности и пластичности кровли пласта.

Величину максимально допустимого давления для предотвра­ щения раскрытия вертикальных трещин приближенно можно оп­ ределить по формуле

127

(ф — Угол внутреннего трения пород при ф>60,4° tg ф> 1,73, тогда формула теряет смысл); Ргорн— горное давление пород разреза, залегающих над кровлей хранилища

П

тде pi — средняя объемная плотность горных пород; hi — мощность отложений; рср = 2,65 т/м3 — средняя плотность пород разреза; Н — общая мощность пород разреза над кровлей хранилища.

При осуществлении искусственного разрыва водонасыщенных пластов с помощью вязких жидкостей градиент давления изме­ нялся от 0,137 до 0,174 кгс/см2/м. Создание подземных хранилищ газа происходило без осложнений при изменении градиента дав­ ления до 0,154 кгс/см2/м, т. е. при превышении нормального гидро­ статического давления в 1,54 раза. Верхним пределом давления в некоторых случаях считается величина горного давления на глу­ бине залегания хранилища. Установлено, что при наличии глини­ стой покрышки мощностью более 5 м максимально допустимое давление может превышать гидростатическое на глубине залега­ ния хранилища в 1,3—1,5 раза.

При повышении давления в пласте выше начального гидроста­ тического возникает перепад давления на кровлю подземного пласта, что иногда может оказаться достаточным, чтобы преодо­ леть «пороговое» давление, создаваемое капиллярными силами в поровых каналах небольшого радиуса. В этом случае начнется вытеснение воды газом из поровых каналов и покрышка потеряет герметичность.

Наименьший «средний» радиус поровых каналов имеют глины. Поскольку величина капиллярного давления обратно пропорцио­ нальна «среднему» радиусу порового канала, капиллярное давле­ ние в глинах достигает большой величины (70 кгс/см2 и более).

Расход вытесняемой воды из глинистой покрышки можно опре­ делять по формуле, приведенной в работе (31], а величину порого­ вого давления — по формуле (15).

§ 36. Буферный газ в подземном хранилище

Общий объем газа в подземном хранилище делится на две части: активный (рабочий) и буферный (остаточный). Активный газ—объем, ежегодно закачиваемый и отбираемый из подземного хранилища. Буферный газ — объем, который постоянно находится в подземном хранилище во время его эксплуатации.

Буферный газ предназначен для:

создания в хранилище определенного давления в конце отбора газа, при этом давлении еще обеспечивается необходимый дебит газа, получаемого из хранилища, соблюдаются требования охраны

328

недр и условия транспорта газа в район потребления; уменьше­ ния продвижения воды в хранилище; увеличения дебитов скважин; уменьшения степени сжатия газа на КС.

Чем больше объем буферного газа, тем больше давление в хранилище и дебит отдельных скважин, меньше общее число сква­ жин для отбора газа из хранилища и степень сжатия газа на

Вода

а

компрессорной станции подземного хранилища при подаче его потребителю.

Объем буферного газа в подземном хранилище зависит от глу­ бины залегания ловушки, физико-геологических параметров пла­ ста-коллектора, мощности пласта и угла наклона структуры, ре­ жима эксплуатации хранилища, технологического режима эксплуа­ тации скважин и величины давления газа на головке скважин в конце периода отбора газа. Это давление, в свою очередь, зависит от вида потребителя (магистральный газопровод, сажевый, це­ ментный или металлургический комбинаты), длины, диаметра и пропускной способности соединительного газопровода, давления в его конечной точке.