image
energas.ru

Газовая промышленность № 11 2016

Подземное хранение газа

01.11.2016 11:00 НОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ ГАЗА В ВОДОНОСНЫХ ПЛАСТАХ. СОКРАЩЕНИЕ ПЕРИОДА ОТБОРА. ГИДРОДИНАМИКА ВОДОНОСНОГО БАССЕЙНА
Изменение климатических условий привело к сокращению холодных зимних периодов и вносит свои коррективы в эксплуатацию газохранилищ, создаваемых в водоносных пластах. В настоящей статье с применением классического подхода, разработанного С.Н. Бузиновым и Е.В. Левыкиным, построенного на теории гармонических колебаний, изучается поведение газовой залежи ПХГ с учетом активности водоносного бассейна при сокращении периода отбора от полугода до 120–80–60 и до 40 суток. Показано, что сокращение периода отбора приводит к расширению газовой залежи в период простоя перед началом отбора газа, а также к уменьшению минимального давления при отборе. Причем величина этих параметров зависит от активности водоносного бассейна. Важным результатом является вывод, что в пределах допустимой точности для неограниченной ловушки можно считать, что ни буферный объем газа, ни минимальный газонасыщенный поровый объем при сокращении периода отбора не уменьшаются по сравнению с определенными по классическому подходу.
Ключевые слова: ПОДЗЕМНОЕ ХРАНИЛИЩЕ ГАЗА, ВОДОНОСНЫЙ ПЛАСТ, ПЕРИОД ОТБОРА, ВОДОНАПОРНЫЙ РЕЖИМ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ, КОЭФФИЦИЕНТ АКТИВНОСТИ ВОДОНОСНОГО БАССЕЙНА, МАКСИМАЛЬНОЕ ПЛАСТОВОЕ ДАВЛЕНИЕ, МИНИМАЛЬНОЕ ПЛАСТОВОЕ ДАВЛЕНИЕ, ГАЗОНАСЫЩЕННЫЙ ПОРОВЫЙ ОБЪЕМ.
Открыть PDF


1.jpg

Потребление газа существенно зависит от температуры окружающего воздуха, ощутимо возрастая в периоды похолоданий. Неравномерная подача газа потребителям может осуществляться из месторождений-регуляторов, а также из подземных хранилищ газа.

В отсутствие выработанных газовых месторождений и отложений каменной соли вблизи центров потребления ПХГ создаются в геологических ловушках водоносных пластов [1], что накладывает определенные ограничения на режимы их эксплуатации. За годы с момента создания первого ПХГ в водоносных пластах под Калугой (1959 г.) сформировалась теория технологического проектирования со своими двумя постулатами:

·         продолжительным периодом отбора, составлющим 150 и более суток;

·         равенством отборов и закачек газа.

Причины смены концепции в теории технологического проектирования отечественных подземных хранилищ газа обоснованы авторами в работе [2]. С тех пор повторяющиеся теплые зимы, как и изменения рыночной конъюнктуры, только подтверждают правоту сформулированных требований.

2.jpg

Первый базисный принцип новой концепции – существенное сокращение периода отбора газа из подземных хранилищ, создаваемых в пористых пластах. При этом если для ПХГ с газовым или неактивным водонапорным режимами сокращение периода отбора, очевидно, не составляет особых гидродинамических проблем, то такого нельзя сказать о ПХГ с активным влиянием водоносного бассейна. В классической теории проектирования создания ПХГ в водоносных пластах [1, 3] период отбора принимался равным полугоду. В работе [4] описаны этапы отечественной истории подземного хранения газа, направленные на сокращение периодов отбора сначала до 150, а затем до 120 суток. Более существенного системного сокращения периода отбора, по нашим сведениям, не рассматривалось. Единственный пример – Калужское ПХГ, созданное в водоносной структуре, в настоящее времени после проведенной реконструкции имеет максимальную суточную производительность 20 млн м3 при активном объеме 390 млн м3.

Нам представляется, что для решения проблемы сокращения периода отбора прежде всего необходимо сломать в головах инженеров по гидродинамике ПХГ устоявшиеся ограничения (стереотипы) по продолжительности периода отбора газа. Сошлемся на анализ продолжительности периода отбора по различным типам ПХГ в разных странах (табл. 1), выполненный на основе Мировой базы данных ПХГ, созданной и актуализируемой усилиями Международного газового союза [5]. Собственно данные по периоду отбора здесь не приведены, поэтому анализу подвергался условный «период отбора», который составляет расчетное количество суток отбора всего активного объема газа с максимальной производительностью. Понимая некоторую условность такого подхода, тем не менее отметим, что значительное количество ПХГ, созданных в водоносных пластах в США и Канаде, имеют условный «период отбора» около 40 суток при 80–120 сутках для ПХГ в РФ.

3.jpg

Каких проблем следует ожидать при сокращении периода отбора? Прежде всего, резкого падения пластового давления и уменьшения минимального газонасыщенного порового объема. Для этого в первую очередь необходимо изучить реакцию водоносного бассейна.

Изучение взаимодействия газовой залежи и водоносного бассейна при сокращении периода отбора мы провели по методике, описанной в работах [1, 3].

В этих классических работах получены решения для изменения газонасыщенного порового объема и давления, когда отбор-закачка газа описывается формулой:

 

1_1.jpg.         (1)

Однако для проектирования рекомендована простейшая формула, когда расход газа описывается по закону синуса (далее такой подход будем назвать классическим):

 

1_2.jpg.    (2)

И более того, приведены расчеты, по которым доказывается, что отклонение графика закачки от «классического» случая не приводит к большой погрешности [3]. Очевидно, что период отбора газа в соответствии с (2) составляет половину года.

4.jpg


Для выполнения анализа влияния длительности периода отбора на гидродинамику хранилища мы подобрали коэффициенты в формулу (1) таким образом, чтобы сформировать соответствующие кривые отбора с продолжительностью периода 40–60–80–120 суток, с максимальным отбором на одну и ту же дату – 274-е сутки от начала закачки (15 апреля), что соответствует дате 15 января. При этом кривая закачки соответствует (2), поэтому от классического случая [1, 3] рассматриваемые варианты отличаются только появлением продолжительных нейтральных периодов и сокращенным периодом отбора. Объем отбора во всех случаях одинаков и соответствует объему закачки, т. е. условие квазистационарности для всех вариантов выполняется [1, 3]. Максимальная производительностьность при сокращении периода отбора составляет 1,5–2,3–3,05–4,8 от максимальной производительности в «классическом» случае.

5.jpg

Для изучения влияния продолжительности периода отбора на основные показатели хранилища был рассмотрен пример из [3] с сокращенными периодами отбора, форма которых приведена на рис. 1. На графике отбора появились осцилляции из-за того, что форма графика закачки-отбора – сложная, в формуле (1) пришлось подбирать по 10–15 коэффициентов А и В.

Как видно из полученных расчетов, в связи с сокращением периода отбора:

·         начальный период, в течение которого не происходит ни закачка, ни отбор газа, приводит к расширению газовой залежи, так как давление в ней значительно выше, чем в окружающем водоносном бассейне;

·         при пиковом отборе газа уменьшается пластовое давление. Из-за высокого темпа отбора водоносный бассейн не успевает «отреагировать». Чем меньше период отбора, тем выше максимальная производительность и тем ниже минимальное пластовое давление;

·         несмотря на то что максимальный отбор приходится на одну и ту же дату, минимальное давление достигается в различные моменты времени. Чем меньше период отбора, тем раньше достигается минимальное давление.

6.jpg

Что очень важно, максимальное пластовое давление и минимальный газонасыщенный поровый объем остаются неизменными для рассмотренных вариантов в пределах точности расчетов.

Если опустить из рассмотрения влияние подошвенных вод, то переход к сокращенному периоду отбора:

·         не уменьшает минимальный газонасыщенный поровый объем залежи;

·         не увеличивает буферного объема газа (так как минимальный газонасыщенный поровый объем и давление в ПХГ на начало закачки сохраняют свои прежние значения в пределах точности расчетов);

·         при сохранении активного объема приведет к увеличению максимального газонасыщенного порового объема залежи в период нейтрального периода перед отбором.

7.jpg

Полученные результаты для отдельного примера описывают качественную картину для любого ПХГ. В [1, 3] были выведены комплексные параметры, характеризующие реакцию водоносного бассейна на периодические колебания давления на контуре газовой залежи:

1_3.jpg;  (3)

 

1_4.jpg,         (4)

где:

Рср – среднее давление в залежи за годовой цикл;

ср – средний газонасыщенный поровый объем (за годовой цикл);

μ – вязкость воды;

kh – проводимость водоносного пласта;

χ – коэффициент пьезопроводности водоносного пласта;

R – радиус газовой залежи;

Т – период, в рассматриваемом случае – 1 год.

 

8.jpg

В [1, 6] введен коэффициент активности водоносного бассейна (λ). В [1, 6] показано, что практически при всех значениях Ω* коэффициент активности водоносного бассейна незначительно отличается от 1,0, но при малых значениях Ω* (<1) этот коэффициент значительно возрастает.

Интересно изучить поведение газовой залежи ПХГ при значениях коэффициента активности водоносного бассейна, близких к единице и значительно больших единицы. По данным проф. С.Н. Бузинова [6], существуют полярные условия, например, для следующих двух ПХГ: Полторацкого (х = 0,96 и Ω* = 9,2, активности водоносного бассейна 1,03) и Щелковского ПХГ (х = 0,54 и Ω* = 0,52, активности водоносного бассейна 3,8).

На рис. 3 и 4 приведены результаты расчетов для примера из [3] по изменению давления и газонасыщенного порового объема ПХГ при значении коэффициента активности водоносного бассейна 1,03 и 3,8 для вариантов отбора с сокращенным периодом.

9.jpg

Из сопоставления полученных результатов видно, что при коэффициенте активности водоносного бассейна, близком к единице, как и ожидалось, изменение газонасыщенного порового объема незначительно, и изменение объемов газа в хранилище происходит за счет изменения давления. И наоборот, при значении коэффициента активности водоносного бассейна значительно больше единицы большому изменению давления в ПХГ препятствует большая подвижность воды. Однако все остальные закономерности поведения залежей остаются такими же, как было описано выше.

 

Выводы

При сокращении периода отбора при прочих равных условиях:

·         уменьшается минимальное давление;

·         увеличивается максимальное значение газонасыщенного порового объема хранилища;

·         минимальное значение газонасыщенного порового объема хранилища и максимальное давление практически не меняются;

·         величина буферного объема практически не меняется;

·         величина изменения выше­указанных параметров зависит от подвижности пластовой воды: коэффициента активности водоносного бассейна.


10.jpg


Таблица 1. Распределение по условным периодам отбора ПХГ, созданных в водоносных пластах [4]


Регион/период отбора, сут

0–40

41–60

61–80

81–100

101–120

>121

Σ

Восточная и Центральная Европа (до 1991 г.) + страны б. СССР

9

4

4

5

5

3

30

Западная Европа + Восточная и Центральная Европа (после 1991 г.)

1

1

1

0

1

0

4

Северная Америка

21

15

8

1

2

3

50



← Назад к списку