Газовое хранилище

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. м³ 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).

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. 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. м³ 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 м³ 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. м³/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.