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

На рис. 29 приведены две возможные схемы работы подземных хранилищ, образованных в пласте сравнительно небольшой мощ­ ности в слабосцементированном коллекторе а й в ловушке крепко сцементированного пласта большой мощности б.

В первом случае из-за наличия нефтяной оторочки, затрудняю­ щей поступление воды в хранилище, объем порового пространства газонасыщенного коллектора изменяться практически не будет. Режим эксплуатации хранилища при постоянном объеме порового пространства назовем газовым. Причинами, ограничивающими дебит отдельных скважин, будут возможность разрушения пласта и вынос кусков породы и отдельных частиц на забой скважины. В этом случае возможно образование песчаных пробок, разъедание колонн фонтанных труб, оборудования устья скважин, порча при­ боров контроля за дебитами скважин, измерения расхода газа.

Технологический режим эксплуатации скважин будет опреде­ ляться величиной максимально допустимого градиента давления на поверхности пласта, вскрытого скважиной.

Объем буферного газа можно определить по уравнению

ра в м3; р — средневзвешенное по объему порового пространства пласта давление в подземном хранилище в конце периода отбора газа в кгс/см2.

Если подземное хранилище образовано в ловушке крепко сце­ ментированного пласта большой мощности во время его работы подошвенная вода будет передвигаться вверх при отборе газа и вниз при закачке. Объем газонасыщенной части залежи будет изменяться. Часть газа в конце периода отбора останется в необ­ водненной, другая его часть — в обводненной части коллектора. Режим эксплуатации подземного хранилища при этих условиях называется упруговодонапорным.

Предположим, что газонасыщенный коллектор представлен прочными, сцементированными породами. Оп нс ограничивает дебит отбираемого из скважин газа. Однако в этом случае на кон­ такте газ — вода давление будет распределено неравномерно при отборе газа. Наименьшее давление будет под забоем скважины. Ранее плоская (до начала отбора газа) горизонтальная поверх­ ность контакта газ — вода будет деформироваться, образуя под забоем скважины так называемый конус подошвенной воды. При подъеме подошвенной воды с образовавшимся конусом под забоем скважины возможно обводнение забоя (образование песчаной пробки, разрушение слабо сцементированного газонасыщенного коллектора), выход скважины из эксплуатации. Скважины на та­ ком подземном хранилище эксплуатируются на технологическом режиме предельного безводного дебита. Конус подошвенной воды в этом случае занимает устойчивое положение. Градиент давле­

130

ния на его вершине, направленный вверх вдоль оси скважины, равен удельному весу пластовой воды.

Для подачи газа потребителю компрессорная станция не нужна. Объем буферного газа можно определить по уравнению

рB/zn — средневзвешенные по объему необводненной и обводненной частей порового пространства пласта приведенные давления в кгс/см2; а — коэффициент объемной газонасыщенности обводнен­ ной зоны в долях единицы.

Объем буферного газа, определенный с учетом технологиче­ ских условий эксплуатации подземного хранилища, часто не удовлетворяет экономическим требованиям. При этом не полу­ чаются минимальные затраты по хранению газа за время работы хранилища. Буферный газ представляет собой продукцию, имею­ щую определенную цену. Понятно, что чем больше стоимость 1000 м3 буферного газа, тем меньше его должно быть в храни­ лище при прочих одинаковых условиях.

Объем буферного газа кроме технологических факторов зави­ сит от капитальных затрат на бурение скважин, эксплуатационных расходов при их работе, стоимости единицы объема буферного газа и эксплуатационных расходов на его закачку и восполнение, капитальных затрат на строительство компрессорной станции и эксплуатационных расходов при ее работе.

Объем буферного газа составляет от 60 до 140% рабочего газа. Так, например, в подземном хранилище Щелково он со­ ставляет 113—138%, в подземном хранилище Хершер при глубине 550 м — 68%, в подземном хранилище Бейн при глубине 380 м — 60%. В США на долю буферного газа в среднем приходится до 32% общих затрат. Стоимость его включается в амортизационные расходы. Объем буферного газа, число эксплуатационных сква­ жин и мощность КС взаимосвязаны друг с другом.

§ 37. Методы определения путей движения газа в пласте и потерь газа в процессе подземного хранения

Для изучения путей движения газа в пласте используются различные инертные газы, отличные от компонентов остаточного пластового газа. В качестве инертных газообразных компонентов могут использоваться азот, гелий, аргон, криптон, пропилен, бути­ лен и др. Эти компоненты закачиваются в пласт вместе с газом через скважины, расположенные в сводовой части структуры В периферийных скважинах периодически отбирают пробы газа на анализ и устанавливают время появления индикатора (инертного

5* 131

газа) а различных скважинах. Тем самым определяют направление и скорость перемещения закачиваемого газа в пористой среде.

В некоторых случаях используют радиоактивные газообразные индикаторы, например криптон, ксенон.

Объем газа в пласте-коллекторе подземного хранилища газа может быть рассчитан тремя методами: объемным; по прямоли­ нейным участкам зависимости средневзвешенного по объему газо­ насыщенной части хранилища приведенного plz давления от объе­ ма отобранного газа из хранилища Qn при газовом или водона­ порном режимах эксплуатации; по объему вытесняемой из хра­ нилища воды при закачке газа.

Для приближенного определения потерь газа в процессе под­ земного хранения используют данные замеров объемов закачан­ ного и отобранного газов, а также статических пластовых давле­ ний в конце так называемого нейтрального периода, когда нет ни закачки, ни отбора газа. Кроме того, определяется положение границы раздела газ — вода с помощью методов радиометрии скважин (часто используется нейтронный гамма-каротаж) и ко­ эффициент объемной газонасыщенности обводненной зоны.

Баланс газа в подземном хранилище можно записать в виде

где ри, рк — средневзвешенные по газонасыщенному объему порового пространства давления до начала и в конце отбора газа соответственно; ра— атмосферное давление; рв, рвв— средневзве­ шенные по обводненному объему газовой залежи давления до на­ чала отбора и в конце периода отбора соответственно; Q,, — на­ чальный объем норового пространства подземного хранилища, за­ нятый закачанным газом, в м3; £2Г, — объемы газонасыщенной (не обводненной) части порового пространства до начала и после прекращения отбора газа в м3; га, zH, zB, z,(, zBK, z — коэффициенты сверхсжимаемости газа при соответствующих давлениях и пла­ стовой температуре; ан, ак — начальная и конечная объемная газонасыщенность обводненной зоны в долях единицы.

Из выражения (172) определим рк

132

насыщенного объема порового пространства от положения грани­

нилище Хершер.

В качестве примера ориентировочного расчета подземных уте­ чек рассмотрим данные эксплуатации Калужского хранилища газа, приведенные в работе [28].

Уравнение материального баланса газа в залежи, использован­

133

Недостаток объема газа в хранилище равен

AQ = (226— 111) -106 = 115 млн. м3.

Авторы работы [28] считают, что 150 млн. м3 не участвуют в работе Калужского подземного хранилища.

Потери газа можно оценить по разности между известным объемом закачанного в подземное хранилище газа на начало цик­ ла отбора и запасами газа на эту же дату, подсчитанными по падению пластового давления при отборе газа.

При нормальной эксплуатации хранилища общие производст­

Величина начальной газонасыщенности

рн = 1 — 0,16 = 0,84.

Коэффициент остаточной газонасыщенности обводненной зоны

134

Относительная ошибка расчета

У д ±2,67-2.784) . 100 ==_ 4 о/о.

2,784

В пределах погрешности вычислений можно утверждать, что подземные потери газа при эксплуатации Щелковского подземного хранилища отсутствуют.

§ 38. Технологические схемы сбора, распределения и обработки газа при отборе и закачке его в хранилище

Газ, закачиваемый в подземное хранилище, подвергается сжа­ тию в компрессорных цилиндрах до необходимого давления. В процессе сжатия газ нагревается и загрязняется парами ком­ прессорного масла, которые, охлаждаясь, образуют жидкое масли.

Сконденсированные на забое скважины пары масла обволаки­ вают зерна песка, уменьшают сечение поровых каналов и фазовую проницаемость для закачиваемого газа. Это, в свою очередь, при­ водит к уменьшению расхода закачиваемого газа и повышению давления нагнетания. Поэтому нагретый газ перед закачкой в скважину охлаждается с целью уменьшения дополнительных тем­ пературных напряжений в металлической фонтанной арматуре, обсадной колонне, цементном камне за колонной, опасности отры­ ва цементного камня от колонны и образования трещин в нем,

извлекаемый из хранилища газ подвергается очистке от твердых взвесей, осушке от парообразной и капельной воды.

Схема оборудования Щелковского подземного хранилища газа приведена на рис. 31.

Оборудование Щелковского подземного хранилища состоит из компрессорных цехов, блоков осушки газа и очистки его от меха­ нических примесей и масла, газораспределительного пункта (ГРП) и эксплуатационно-нагнетательных скважин. В двух компрессор­ ных цехах установлено 20 компрессоров 10ГК общей мощностью 22,8 тыс. л. с. Для индивидуального замера газа, закачиваемого и отбираемого из скважин, удаления парообразной и капельной воды из газа при отборе, регулирования давления закачки и от­ бора построены газораспределительные пункты, которые состоят из газовых сепараторов с тангенциальным вводом и отключающей арматуры, установленных на открытой площадке, и зданий, где находятся регулирующие клапаны и расходомеры на каждую скважину.

З а к а ч к а г а з а. Из Московского областного кольца по газо­ проводу-отводу диаметром 500 мм с давлением 25—36 кгс/см2 газ, предварительно очищенный от взвешенных твердых частиц и ка­ пельной влаги в вертикальных масляных пылеуловителях, направ-

135

l- 0 - ! 6

ляется на прием газомоторных компрессоров 10ГК для комприми­ рования в две ступени. Затем газ поступает на установку очистки от компрессорного масла, где последовательно проходит через

В циклонных сепараторах улавливаются крупные частицы мас­ ла (20—30 мк). Более мелкие частицы улавливаются в угольных адсорберах. Сорбентом является активированный уголь в форме цилиндриков диаметром 3—4 мм и высотой 8 мм. Насыщенный маслом сорбент регенерируют с помощью пара.

Самая тонкая очистка газа от мелкодисперсных масляных ча­ стиц осуществляется в керамических фильтрах, имеющих опреде­ ленные коэффициенты проницаемости и пористости. Керамический фильтр состоит из трубок, изготовленных из фильтрующего мате­ риала, один конец которых наглухо закрыт. Трубки помещены группами в прочный корпус. Показателем загрязнений трубок яв­ ляется увеличение перепада давления на входе и выходе фильтра свыше 200 мм рт. ст. Регенерацию фильтрующих трубок осуществ­ ляют обратной продувкой, промывкой растворителями твердых и жидких частиц. Опыт эксплуатации сооружений по очистке газа от масла показал их достаточную эффективность. В 1000 м3 газа, закачиваемого в пласт после очистки, содержится 0,4—0,5 г масла.

Пройдя эти аппараты, охлажденный и очищенный от масла газ поступает по газосборному коллектору на ГРП, где происходит разделение его потока по скважинам и замер количества газа, закачиваемого в каждую нагнетательно-эксплуатационную сква­ жину.

От б о р г а з а . При отборе газ из эксплуатационных скважин поступает на ГРП по индивидуальным шлейфам. Извлекаемый из хранилища газ может выносить существенное количество песка, даже при очень небольших депрессиях (0,3—0,4 кгс/см2). Для предотвращения выноса песка из пласта в скважину забой ее обо­ рудуют специальными фильтрами или призабойную зону скважин укрепляют вяжущими веществами.

Капельная вода из газа отделяется в сепараторах первой и второй ступеней. Влага, улавливаемая в аппаратах ГРП, автома­ тически сбрасывается в специальные замерные емкости. Кроме того, здесь замеряется расход газа по каждой скважине.

Далее по газосборному коллектору газ поступает на установку осушки, откуда при температуре точки росы —2° С попадает в магистральный газопровод. Для осушки газа используется диэти­ ленгликоль. Блок осушки состоит из котельной, двух-трех контак­ торов, выпарной колонны, холодильников-испарителей и насосной.

В контакторах газ барботирует через слой 94%-ного диэтилен­ гликоля, находящегося на тарелках. Диэтиленгликоль поглощает парь воды, а осушенный газ поступает в верхнюю часть контак­

137

Глава IV

ПОДЗЕМНОЕ ХРАНЕНИЕ ГАЗА В ИСТОЩЕННЫХ ИЛИ ЧАСТИЧНО ВЫРАБОТАННЫХ ГАЗОВЫХ И ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

Истощенные газовые месторождения во многих случаях оказы­ ваются наилучшими объектами для создания в них подземных хранилищ. Месторождение полностью разведано: известны геомет­ рические размеры и форма площади газоносности, геолого-физи­ ческие параметры пласта, начальные давления, температура и со­ став газа, изменение во времени дебитов скважин, коэффициентов фильтрационных сопротивлений А и В, режим эксплуатации сква­ жин, герметичность покрышки.

На месторождении имеется определенный фонд эксплуатаци­ онных и наблюдательных скважин, промысловые сооружения для получения товарного газа.

При проектировании строительства подземного хранилища в истощенном газовом месторождении определяют: 1) максимально допустимое давление; 2) минимально необходимое давление в конце периода отбора; 3) объемы активного и буферного газов; 4) число нагнетательно-эксплуатационных скважин; 5) диаметры и толщины стенок промысловых и соединительного газопроводов; 6) тип компрессорного агрегата для компрессорной станции; 7) общую мощность компрессорной станции; 8) тип и размер обо­ рудования подземного хранилища для очистки газа от твердых взвесей при закачке его в пласт и осушки при отборе; 9) объем дополнительных капитальных вложений, себестоимость хранения газа, срок окупаемости дополнительных капитальных вложений.

После этого проводят ревизию технологического состояния скважин, оборудования устья, промысловых газопроводов, сепара­ торов, компрессоров, определяют виды ремонта, замены, строи­ тельства новых сооружений.

Особое внимание уделяется определению герметичности сква­ жин, скорости и интенсивности процессов коррозии металлическо­ го промыслового оборудования и разработке мероприятий по борь­ бе с ней, комплексной автоматизации работы всех элементов обо­ рудования подземного хранилища, повышению производительно­ сти труда, охране окружающей среды, источников питьевой воды в верхних горизонтах.

133