Исследование технических и геологических условий создания подземного хранилища газа на Южно-Луговском месторождении

При невозможности использования всей выработки выбираются такие участки, части её, где давление пластовых вод на "стенку" и "дно" выработки выше, чем давление хранимого продукта на них. Искусственная заделка выполняется листовой сталью, тампонажем пород, торкретированием, полимерными материалами.

В каждом конкретном случае пригодность выработки должна быть определена прочностными и технико-экономическими расчетами.

Подземные хранилища шахтного типа.

В качестве товарно-сырьевых парков нефтехимических, химических заводов, емкостей для покрытия пиковых и сезонных неравномерностей потребления газов и нефтепродуктов, хранения используются подземные хранилища шахтного типа. Такие хранилища могут быть созданы в непроницаемых или проницаемых горных породах, в трещиноватых породах с напорными водами, в многолетнемерзлых грунтах. Наиболее пригодными являются известняки, гипсы, доломиты, мел, кварциты, базальты с коэффициентом крепости по шкале Протодьяконова f = 4 - 10 и выше.

Хранилища этого типа отличаются друг от друга в основном технологией сооружения, а генеральная конструктивная схема их практически одинакова. Она включает в себя систему выработок вскрывавшую шахтного ствола 1, подходную 2-ой выработоки - емкости 3 (рисунок 5 Б подземное хранилище шахтного типа; приложение Б). Пробуривавшая и вентиляционные скважины 4. Наземные инженерные сооружения включают в себя скважины различного технологического назначения (эксплуатационные, разгрузочное, наблюдательнее), установки по очистке газов 6 и 7, насосную и компрессорную станции 8, наливную эстакаду 9, герметичную перемычку и другие.

По схеме вскрытия шахтные хранилища разделятся на хранилища с вертикальным отводом (рисунок 6 Б,а схемы вскрытий шахтных хранилищ; приложение Б), наклонной вскрывающей выработкой (рисунок 6 Б,б схемы вскрытий шахтных хранилищ; приложение Б) и горизонтальной выработкой (рисунок 6 Б,в схемы вскрытий шахтных хранилищ; приложение Б). Обычно диаметр стволов составляет 1,5 -1,8м, а сечение выработок-емкостей от 35 до 78 м .

Шахтные хранилища сооружаются на один, два и более видов продуктов (рисунок 6 Б,а схемы вскрытий шахтных хранилищ; приложение Б) общим объемом от 10 до 100 тыс.м3. Имеется выработки объемом до 150-160 тыс.м3.

Минимальную глубину заложения емкостей определяют из условия обеспечения устойчивости от выпирания вышележащих пород под действием рабочего избыточного давления в емкости. На практике наиболее часто осуществляется заложение емкостей под сжиженные газы на глубинах 80-150 м, под нефти и нефтепродукты - 20-100 м. Максимальные глубины заложения могут быть равны 150-200 м.

По способу выдачи хранимых продуктов различает два вида шахтных хранилищ: с насосной откачкой продуктов и с без насосным отводом продуктов (газлифт, отбор паров сжиженных газов, выдавливание жидкой фазы парами). Насосная откачка производится погружными насосами (Рисунок 7 Б, а способы отбора продукта из шахтных хранилищ; приложение Б) или насосами, установленными в подземных камерах (Рисунок 7 Б, б способы отбора продукта из шахтных хранилищ; приложение Б).

Коротко о сооружении шахтных хранилищ. Проходка стволов выполняется бурением, буровзрывным способом, при помощи кессона. Крепление ствола производится металлическими обсадными трубами. Затрубное пространство тампонируется непроницаемым раствором. При объеме хранилища более 25 тыс.м3 помимо главного ствола имеется 2-3 вентиляционных скважин. Горизонтальные выработки - емкости разрабатывается горнопроходческими машинами, с использованием взрыва или землеройной техники. Для придания устойчивости горизонтальный выработкам (камерам, туннелям) в процессе их проходки оставляют предохранительные породы-целики. Потолочина камер в необходимых случаях усиливается анкерными болтами, металлическими сетками и бетонированием.

Если хранилища создаются в проницаемых горных породах, то создается специальная искусственная изоляция.

Подземные хранилища в соляных отложениях.

Из различных видов подземных емкостей наиболее широкое распространение получили подземные хранилища, создаваемые в отложениях каменной соли размывом через буровые скважины. Этот вид подземных хранилищ достаточно распространен, хотя по общему объему он не может конкурировать с ПХГ в истощенных залежах, водоносных пластах. При наличии поблизости источников воды для размыва такие хранилища относительно недороги и достаточно надежны.

Этот вид хранилищ в основном используется для хранения сжиженных газов и нефтепродуктов.

Метод сооружения хранилищ в соляных отложениях основан на хорошей растворимости каменной соли в пресной воде. (Рисунок 8 Б схема размыва полости в соляном пласте; приложение Б). В 1 м3 воды при 20° С может раствориться до 360 кг соли или для образования 1м3 полости нужно 6-7 м3 воды.

Для создания емкостей выбираются участки соляных пластов с глубиной залегания до 1000 - 1200 м и мощностью 100 м и более. Объемы размытых емкостей могут быть равны от 30-80 м3 до 300-400 тыс.м3.

Для сооружения хранилищ этого вида бурят скважину диаметром 194-325 мм до проектных отметок и спускают в неё обсадную и две рабочие колонны труб (одна в другой). По одной колонне на забой скважины подается вода, которая, размывая пласт, насыщается солью, а рассол выкачивается на поверхность по другой колонне.

Существуют прямоточный, противоточный, комбинированный, водоструйный способы размыва. При использовании любого способа основной задачей является управление размывом с целью получения требуемой формы емкости.

Размыв подземной емкости длится 1,5 - 2 года, поэтому задача интенсификации этого процесса требует своего решения.

Использование сил взрыва при создании подземных емкостей.

В последнее время в России и за рубежом получило развитие строительство подземных хранилищ методом глубинных взрывов, под действием которых происходит уплотнение пластичных горных пород (глина, суглинка). Для этой цели используется обычные взрывчатые вещества (динамит, тритол, аммонит) и ядерные заряды.

Минимальная и оптимальная мощность рабочей толщи глинистого пласта выбирается в зависимости от объема емкости, например, для V=100-150 м3 hmin = 18-20 м, hmax = 20-25 м. Технология образования подземных емкостей в пластичных породах способом глубинных взрывов разделяется на 2 этапа (рисунок 9 Б создание подземных емкостей взрывом; приложение Б). Первый этап: разбуривание скважины диаметром 600-400 мм, обсадка её и цементирование затрубного пространства (1 и 2 позиции). Второй этап: закладка зарядов (вспомогательного и основного), монтаж электровзрывной сети и взрыв (3, 4, 5 и 6 позиции).

При взрыве заряда пластичная порода подвергается пластическому течению и уплотнению, в результате чего образуется шарообразная емкость с упрочненными стенками. Размеры образованной емкости зависит от величины заряда вещества и предела сжимаемости среды.

Перспективным направлением в строительстве подземных хранилищ является использование ядерного взрыва. Зарубежные специалисты считают, что для создания полости V = 28 тыс.м3 необходима 1 кг мощности заряда. Особенностью таких емкостей является идеальная сферическая форма и высокая устойчивость стенок. В момент взрыва температура в центре взрыва достигает 1000° С, а давление в зависимости от мощности заряда 106 -5?106 кг/см2.

2.1.2 Геологические и технические условия создания ПХГ

Выбор оптимальных способов и эффективность создания подземного хранилища газа зависит от многих характеристик геологического объекта и, прежде всего, от физических свойств пласта-коллектора, степени его неоднородности, наличия разрывных нарушений, степени подвижности пластовых вод.

Породы пласта-коллектора должны иметь достаточную мощность, проницаемость, пористость и характеризоваться относительной литологической однородностью.

Создание хранилищ в хорошо проницаемых и пористых пластах с небольшой неоднородностью позволяет применять повышенные депрессии при заполнении хранилищ газом, сократить число эксплуатационных и наблюдательных скважин, а также упростить контроль за продвижением пластовых вод при отборе газа из хранилища.

Численные значения физических параметров пласта-коллектора, предназначенного для использования в качестве хранилища, могут значительно изменяться. Тектонические нарушения всегда вызывают опасения с точки зрения герметичности покрышки над хранилищем. Наличие сбросов, надвигов и других нарушений существенно осложняет интерпретацию геологических и гидродинамических данных, затрудняет выбор схемы закачки газа, усложняет технологические расчеты и т. д.

На сроки создания хранилища и режим его эксплуатации определенное влияние оказывают степень подвижности пластовых вод и амплитуда поднятия пласта-коллектора (разница отметок самой высокой точки пласта-коллектора и самой глубокой изогипсы, замкнутой в пределах рассматриваемой площади).

При создании подземных хранилищ газа, как в истощенных месторождениях, так и в водонасыщенных пластах важное значение имеет правильное установление максимально допустимого давления в них.

Повышение давления в хранилище до максимального допустимого способствует сокращению сроков сооружения подземного хранилища и положительно влияет на условия его эксплуатации. Чем больше давление в хранилище, тем больше объем хранящегося газа и тем меньше требуется скважин для обеспечения необходимого отбора газа. Повышение давления в хранилище в процессе хранения увеличивает бескомпрессорный период подачи газа потребителю из хранилища, уменьшает мощность КС и улучшает технико-экономические показатели системы газоснабжения в целом.

Однако чрезмерное повышение давления в подземном хранилище может привести к нарушению герметичности резервуара и потерям газа, прорыву газа на дневную поверхность с возникновением взрывов и пожаров образованию кристаллогидратов углеводородных газов в скважинах, увеличению затрат на компримирование газа.

Максимально допустимое давление в хранилище обусловлено многими геологическими и техническими факторами и, прежде всего, зависит от глубины залегания пласта; плотности, прочности и пластичности кровли пласта; способа создания хранилища и темпов закачки газа, предельного давления нагнетания компрессоров выбранных для закачки газа в хранилище и для отбора газа из него.

На максимальное давление существенно влияют структурные и тектонические особенности пласта, кровли, подошвы, а также разреза пород над пластом.

Практика создания подземных хранилищ газа показывает, что при наличии глинистой покрышки мощностью больше 3 м максимально допустимое давление можно определить, исходя из нормального гидростатического давления, соответствующего глубине залегания хранилища, при этом герметичность пласта, как показывает опыт, не нарушается, переток жидкости и газа в другие пласты через кровлю даже в сводовых частях пласта практически отсутствует.

При создании и эксплуатации подземных хранилищ следует учитывать также темп возрастания давления в процессе закачки газа. Чем меньше темп возрастания давления, тем на большую величину можно повысить давление в хранилище.

Геологические и горнотехнические условия строительства подземного хранилища

Перспективность дальнейшего развития подземного хранения, газов зависит, в первую очередь, от геологических, гидрогеологических и горно- технических условий залегания горных пород. При оценке районов для строительства подземных хранилищ газа необходимо учитывать особенности геологического строения территории.

Важный параметр эксплуатации подземных хранилищ -- минимально допустимая глубина залегания подземных емкостей, которая определяется, в первую очередь, давлением паров хранимого продукта. Эта величина устанавливается с учетом того, что одна атмосфера максимального рабочего давления продукта в хранилище должна уравновешиваться давлением толщи пород, расположенной над емкостью не менее шести метров.

Ориентировочно расчет глубины заложения хранилища (Н) осуществляется при условии, что избыточное давление в хранилище (Ризб.) ниже горного (Ргорн). Оно позволяет предохранить стенки хранилища от разрушения под действием внутреннего давления

(1)

где -- средняя плотность вышележащих горных пород.

При выборе участка и решения вопросов о пригодности пласта для строительства хранилища оценивается общее геологическое состояние месторождения с целью установления нарушенных зон. Герметичность хранилища может быть нарушена неблагоприятными тектоническими условиями: сбросами, сдвигами, и т. д. Только всесторонний анализ результатов разведки дает возможность сделать заключение о степени герметичности, подземного хранилища, повышающей его эксплуатационную надежность.

Хранение газов в подземных емкостях практически осуществимо в тех местах, где на определенной глубине имеются мощные устойчивые отложения естественно непроницаемых горных пород. Горные породы считаются пригодными для сооружения газохранилищ, если они не фильтруют хранимый продукт, не содержат включений, влияющих на кондицию этого продукта, устойчивы к горному давлению.

Диапазон горных пород, в которых могут быть созданы хранилища, довольно широк. По литологическому составу к породам, пригодным для строительства, отнесены гипсы, ангидриты, мергели, плотные известняки, доломиты, граниты, глины и некоторые другие с коэффициентом крепости, по шкале Протодьяконова f=2-10. При этом наиболее приемлемы гипсоангидритовые породы, характеризующиеся хорошей устойчивостью.

Не рекомендуется строить подземные емкости под мощными (более 40 м) ледниковыми отложениями, содержащими обычно водонесущие пески и гравий, а также под кровлей из аллювиальных пород, требующих обязательного сплошного крепления. Породы, вмещающие каменный уголь, газ и нефть, не могут быть рекомендованы для размещения в них подземных емкостей, т. к. им всегда сопутствуют пористые газопроницаемые структуры. В соответствии с требованиями, данные геологических и гидрогеологических изысканий должны быть предельно уточнены с помощью бурения разведочных скважин.

Глубина заложения подземного хранилища определяется, в первую очередь, наличием достаточно мощного пласта непроницаемой горной породы, пригодной для сооружения емкости.

Глубина заложения кровли емкостей хранилищ сжиженного газа (Н) определяется по формуле

(2)

где К -- коэффициент запаса прочности покрывающих пород, равный 1,2--1,5; Рвн -- максимально возможное давление сжиженного газа внутри емкостей, т/м2; ?ср -- средневзвешенная плотность покрывающих горных пород, кг/м3;

(3)

где Н1, Н2,..., Нп -- мощность отдельных пластов, слагающих покрывавшую толщу пород, -- плотность пластов горных пород, слагающих покрывающую толщу, кг/м3.

Минимальная мощность горных пород должна быть достаточной для размещения хранилища и предохранительной толщи непроницаемых или устойчивых пород в почве и кровле. Она определяется по формуле

(4)

где h -- высота емкости, м; L -- длина емкости, м; i -- уклон емкости; b -- суммарная мощность непроницаемых пород в почве и кровле (b1+b2 не менее 10 м). Обычно высота выработки-емкости не менее пяти метров. Следовательно, в общем случае минимальная мощность «рабочей толщи» должна достигать 15 м.

Таким образом, хранилища могут сооружаться в любых водоупорных породах (осадочных, магматических или метаморфических), химически инертных к углеводородам, имеющим мощность не менее 15 м и необходимую глубину залегания. Слабоуплотненные, рыхлые, макропористые и трещиноватые, кавернозные плотные породы практически не пригодны для создания хранилищ.

Учет всех вышеперечисленных требований, предъявляемых к горным породам, геологическим и горнотехническим условиям их залегания, дает возможность наиболее обоснованно рекомендовать в исследуемых районах горные породы, благоприятные для строительства подземных хранилищ жидких углеводородов и выделить перспективные территории их распространения.

Особенности хранения газа в подземных емкостях.

Главной особенностью подземного хранения углеводородных топлив является их длительное непосредственное контактирование с вмещающей горной породой, в которой сооружается емкость.

В подземных хранилищах, в отличие от наземных резервуаров, температура хранения продукта не зависит от природно-климатических условий, сезонных колебаний температуры воздуха и верхнего слоя грунта.

Особые условия, характерные для подземного хранения, со временем оказывают влияние на физико-химические свойства газа, а следовательно, и на их качество. Систематическое изучение изменения качества углеводородных топлив при хранении в подземных емкостях началось в нашей стране в середине 60-х годов. В работах В.А. Мазурова, В. С. Азева и др. рассмотрены вопросы влияния контактирования различных горных пород, грунтовых вод и рассола на химическую стабильность топлив.

Хранение в подземных емкостях сжиженных углеводородных, газов обусловливает необходимость выявления их химической стабильности при взаимодействии с горными породами. Для этого изучалось изменение качества углеводородных газов при хранении в подземных емкостях, образованных в сульфатно-карбональных породах. Установлено, что содержащиеся в породе незначительные примеси окислов алюминия, железа и кремния не оказывают влияния на химическую стабильность хранимого продукта, т.к. эти окислы становятся катализаторами лишь после специальной физико-химической переработки и действуют на продукт только при температурах не ниже 150--200° С. Температура же вмещающих пород в подземных хранилищах не превышает 10, а максимальная температура поступающего в хранилища газа -- 40° С. О химической стабильности сжиженных углеводородных газов при хранении в подземных емкостях в контакте с горными породами свидетельствуют и другие исследования, проведенные как в нашей стране, так и за рубежом.

Исследование свойств горных пород, определяющие их пригодность для создания подземного хранилища.

Надежность подземных хранилищ газа определяется их герметичностью, прочностью и долговечностью. Исходя из требований, предъявляемых к подземным емкостям, естественные породные массивы, окружающие хранилище, должны быть практически непроницаемым для хранимых продуктов, а слагающие их горные породы -- прочными, устойчивыми, обеспечивающими сооружение и эксплуатацию емкостей, как правило, химически нейтральными к хранимым продуктам. Оценка пригодности горных пород для создания подземных хранилищ осуществляется в процессе исследований свойств горных пород.

Физико-механические свойства горных пород

Диапазон горных пород, в которых сооружаются подземные хранилища газа, довольно широк. К ним относятся, осадочные, магматические и метаморфические, практически непроницаемые породы.

Основными показателями физико-механических свойств пород подземных хранилищ следует считать прочностные характеристики горных пород, а также их реологические особенности. Под прочностными характеристиками понимают их временные сопротивления элементарным видам напряжении -- одноосному сжатию, растяжению, сдвигу и изгибу в таблица 1 приведены показатели пределов прочности некоторых пород на сжатие, растяжение и изгиб.

Таблица 1 - показатели пределов прочности пород на сжатие, растяжение и изгиб

Породы	?сж(кг/см2)	?р(кг/см2)	?изг(кг/см2)
Граниты	1000-2500	100-1500	100-300
Известняки	900-1200	120,0	180,0
Гипсы	170	19,0	60,0
Известняки с гипсом	420	24,0	65,0
Каменнаясоль (Артемовск)	366	13,3	33,0
Калийная соль (сильвинит, Верхнекамское)	396	6,1	22,0
Калийная соль (сильвинит, Старобино)	266	13,9	33,0

Следует отметить, что прочность соляных пород при изгибе составляет от 5 до 20 % их прочности при одноосном сжатии.

Для прочностных расчетов подземных емкостей необходимо знание не только физико-механических, но и деформационных свойств горных пород, важнейшими из которых являются модуль упругости и коэффициент Пуассона.

Значения модуля Юнга и коэффициента Пуасона для некоторых горных пород приведены в таблице 2.

Таблице 2 - Значения модуля Юнга и коэффициента Пуассона для некоторых горных пород

Породы	Модуль Юнга,	Коэффициент Пуассона
Глины	0,03	0,25 - 0,35
Известняки	1,3 - 8,5	0,28 - 0,33
Доломиты	2,1 - 16,5	0,28
Граниты	до 6,0	0,26 - 0,29
Каменная соль	0,6 - 0,85	0,44
Калийные соли: сильвинит каинит	1,18 2,04	0,39 0,39

В настоящее время существуют различные гипотезы определения прочности материалов и, в том числе, горных пород.

Для оценки деформационных свойств горных пород большое значение имеет построение паспортов прочности. Широко применяются следующие виды построения паспорта прочности:

­ объемного сжатия;

­ среза со сжатием;

­ соосных Пуассонов;

­ по результатам определения прочности горных пород при растяжении и сжатии;

­ расчетный.

При испытании горных пород в объемном напряженном состоянии с целью получения прочности и исходных данных для паспорта прочности разработаны экспериментальные установки и методики проведения испытаний.

Огибающая главных кругов напряжения может быть представлена аналитически. Наиболее простое аналитическое выражение зависимости касательных напряжений ? от нормальных.

(5)

где -- ? угол наклона прямоугольного отрезка огибающий к оси абсцисс; ?n -- это прямая линия; ?1 -- предельное касательное напряжение в породе при отсутствии нормального напряжения. Угол ? назван углом внутреннего трения, a tg(?) - коэффициентом внутреннего трения. В таблица 3 приведены значения угла внутреннего трения для соляных пород.

Таблица 3 - Значения угла внутреннего трения для соляных пород

Месторождения	Породы	?, град.
Яр-Бишкадакское	Каменная соль	36
Старобинское	То же	33

Таким образом, ? -- коэффициент пропорциональности между приращениями нормальных и касательных напряжений при разрушении породы.

Показатель ? называется сцеплением горной породы и количественно равен пределу прочности породы на срез при отсутствии нормальных напряжений.

Породы, пригодные для строительства подземных хранилищ, характеризуются большой пластичностью, т. е. способностью претерпевать необратимые деформации. Для определения и количественной оценки пластичности горных пород при статических нагрузках используются различные методы и аппаратура. Так, Л. А. Шрейнером разработан прибор, работа которого основана на вдавливании цилиндрического штампа с плоским основанием в породу.

Реологические свойства горных пород.

Для обеспечения надежной эксплуатации подземных хранилищ необходимо учитывать фактор времени и его влияние на напряженно-деформированное состояние пород в зоне, прилегающей к емкости. Породы, слагающие подземные хранилища, являются в основном телами упругопластическими и характеризуются большими деформациями ползучести при постоянной нагрузке во времени.

Величина деформаций и напряжений этих пород определяется, с одной стороны нагрузкой, а с другой -- временем ее действия. Изменение напряжений и деформаций горных пород во времени при постоянной нагрузке называется ползучестью.

Реологические свойства горных пород изучаются экспериментально. Для проведения испытаний на ползучесть и длительную прочность образцов горных пород в условиях одноосного сжатия изготавливаются образцы цилиндрической формы высотой и диаметром 42 мм.

Явление, обратное ползучести, -- постепенное снижение напряжений в породе при постоянной ее деформации -- называется релаксацией напряжений. Релаксация представляет собой ползучесть при напряжении, которое уменьшается пропорционально нарастающей пластической деформации. В этом случае упругие деформации, появившиеся в породе при первоначальном нагружении, постепенно переходят в пластические.

Установлено, что существует общая закономерность изменения свойств пород в зависимости от времени действия на них нагрузки: чем длительнее воздействие нагрузки, тем меньше упругие свойства пород (модуль Юнга, предел упругости) и тем ярче проявляются их пластические свойства.

При горнотехнических расчетах с учетом фактора времени в качестве критерия принимается величина допустимых деформаций, не вызывающих разрушения, или вводится в расчет предел длительной прочности ?дл -- напряжение, способствующее разрушению образца в заданном промежутке времени.

Предел длительной прочности горных пород определяется при испытаниях образцов на сжатие или изгиб. Для этого фиксируют время от начала нагрузки образца до его разрушении при конкретном уровне напряжении. Затем по результатам серии испытаний при различных нагрузках строят кривую длительной прочности в координатах напряжение -- время, по которой и определяют значение ?дл. Пределом длительной прочности следует считать напряжение, не вызывающее разрушения образца в течение 1000 ч.

Между длительной прочностью глин и временем приложения нагрузки t существует следующая эмпирическая зависимость:

(6)

где-- прочность породы при мгновенном нагружении; А -- константа, характеризующая стойкость породы.

Для некоторых глин и мергелей для многих других пород предел длительной прочности .

Учет реологических явлений в породах, склонных к пластическим деформациям, приобретает особое значение при горнотехнических расчетах подземных хранилищ. Устойчивость емкостей следует определять по длительной прочности пород с учетом их ползучести и релаксации.

Проницаемость плотных горных пород.

Одной из основных задач при проектировании и строительстве подземных хранилищ газа является выбор практически непроницаемых горных пород, способных обеспечить герметичность емкостей. Оценка герметичности пород осуществляется по абсолютной проницаемости.

Количественно проницаемость определяется на основании закона линейной фильтрации Дарси и характеризуется коэффициентом проницаемости. Расчет коэффициента абсолютной проницаемости образца производится по формуле

(7)

где -- расход газа, см3/с, приведенный к среднему давлению (Рср) газа в образце,

(8)

(9)

Q -- расход газа при атмосферном давлении, см3/с; Рб -- атмосферное давление, МПа; Р1 -- давление газа на входе в образец, МПа; Р2 -- давление газа на выходе из образца, МПа; ?-- вязкость газа, сПа; l -- длина образца породы, см; ?р -- перепад давления по длине образца, МПа; F -- площадь сечения образца, см2.

Определяемый по этой формуле коэффициент проницаемости К характеризует пропускную способность пористой среды при фильтрации вязкой гомогенной жидкости; без учета ее плотности.

Для нахождения абсолютной проницаемости из каждого отобранного монолита изготавливаются образцы, ориентированные параллельно и перпендикулярно напластованию. Их боковая поверхность покрывается парафином, бекелитовым лаком или клеем для устранения микродефектов, образующихся при изготовлении. Подготовленные образцы высушиваются до постоянной массы при 105° С (гипс -- при 50° С). Испытания проводятся на установке УИПК-1.

Большая работа по исследованию проницаемости горных пород с целью оценки их пригодности для подземных хранилищ осуществляется во ВНИИПромгазе. В частности, здесь были определены количественные показатели проницаемости горных пород перспективных площадей. Так, абсолютная проницаемость для ангидрита составляет 3,5?10-4 (параллельно напластованию) и 2,1?10-4 (перпендикулярно напластованию); для гипса -- 9,04?10-2; для доломита -- 1,98?10-2 (параллельно напластованию) и 9,37?10-3, (перпендикулярно напластованию).

В Ивано-Франковском институте нефти и газа изучалась проницаемость соляных пород Прикарпатья с целью установления их пригодности для строительства подземных хранилищ.

Располагая данными о проницаемости пород и ее изменении с глубиной залегания пласта или залежи, можно оценить пригодность месторождений для строительства хранилищ.

Помимо внешнего давления, на проницаемость оказывает значительное воздействие давление фильтрующего флюида (газа) Рф. Данные, приведенные в работе Сохранского В.Б., Черкашенинова В.И., показывают, что при повышении -- Рф на 3 МПа при ?P=const проницаемость гипсов увеличивается в 1,2--5 раз. Авторы объясняют это явление тем, что при повышении давления газа происходит как, частичная разгрузка породы от внешнего давления и соответственно увеличение ее общего объема, так и сокращение объема твердой фазы за счет сжатия отдельных ее частиц под действием внешнего и внутреннего давлении.

Таким образом, проведение комплекса исследований свойств горных пород позволяют правильно оценить их пригодность для строительства подземных хранилищ.

2.1.3 Схемы обустройства подземного хранилища газа

Под технологической схемой обустройства хранилища понимается совокупность определенным образом размещенных и соединенных между собой технических средств, необходимых для осуществления запланированной технологии создания и эксплуатации ПХГ. В этом комплексе основой служат газовые коммуникации и аппараты.

Рациональная схема обустройства подземного хранилища газа должна обеспечивать осуществление технологических процессов при наименьших приведенных затратах по хранилищу в целом в конкретных геолого-климатических и хозяйственных условиях (рисунок 10 Б схема обустройства ПХГ; приложение Б).

Пунктирными линиями ограничены технологически обособленные участки этой схемы. Газ из магистрального газопровода I по соединительному газопроводу II подается на территорию компрессорной станции III, которая располагается, как правило, непосредственно на территории хранилища.

Пройдя пылеуловители 1, газ компримируется в компрессорах 2, очищается от масла в маслоотделителях первой ступени 3, а затем охлаждается в аппарате 4. Холодный газ подвергается дополнительной очистке от капельного масла в сепараторах 5 и от масляных паров в угольных адсорберах 6, фильтры которых 7 служат для задержания частиц активированного угля, уносимых потоком газа. Чистый газ по коллектору направляется на газораспределительный пункт V.

От коллектора отходят индивидуальные линии к эксплуатационным скважинам хранилища. На рисунке 10 Б изображена одна такая линия (приложение Б). Газ по линии 8 через расходомер 9 и обратный клапан 10, минуя сепараторы 11 и 13, по шлейфу 14 попадает в скважину 15.

При отборе из хранилища газ проходит сепаратор первой ступени 13, штуцер 12 и сепаратор второй ступени 11, расходомер 9, обратный клапан 10 и поступает либо в установку осушки IV, либо прямо в газопровод II.

В схеме обустройства хранилища обычно различают сторону высокого давления и сторону низкого давления.

Сторона высокого давления включает все трубопроводы и аппараты, находящиеся на нагнетательной линии, считая от выкида компрессоров последней ступени сжатия до пласта. Давление в этой части системы контролируется предохранительным клапаном, установленным на выходе компрессора последней ступени сжатия.

Сторона низкого давления начинается за штуцером, считая от скважины, и включает установку осушки, соединительный и магистральный газопроводы. Давление в этой части системы определяется гидравлическим сопротивлением системы со стороны низкого давления и контролируется предохранительным клапаном, установленным на сепараторе или непосредственно за сепаратором второй ступени.

Для борьбы с гидратами используется метанол или ДЭГ. Число соединительных газопроводов, их направление, длина и диаметр устанавливаются с учетом развития системы газоснабжения, в которую ПХГ входит как подсистема.

Характерная особенность работы КС на подземном хранилище состоит в существенной переменности расхода компримируемого ею газа, его давления и степени сжатия. Особенно велики эти изменения, если КС работает и при нагнетании и при закачке газа. Компрессоры обвязываются так, чтобы можно было осуществлять в случае необходимости двух-, а иногда и трехступенчатое сжатие газа.

На газораспределительном пункте (ГРП) выполняются следующие технологические операции, связанные с работой отдельных скважин и обусловленные различием их характеристик:

­ распределение газа по скважинам при его закачке и отборе;

­ регулирование расхода и давления газа;

­ очистка газа от твердых и жидких примесей;

­ измерение расхода, температуры и давления газа, а также количества отделяемых от газа твердых и жидких компонентов;

­ исследование скважин.

Выбор схемы и технического оснащения ГРП зависит от вида промысловой газовой сети, категории хранилища, характеристик пласта и скважин, числа эксплуатационных скважин, давления в пласте, климата района и других условий.

В соответствии с современной тенденцией полной автоматизации технологических процессов на подземных хранилищах целесообразно применять лучевую систему газораспределения и сбора газа, при которой вся продукция скважин по самостоятельным линиям подается на ГРП без предварительного отделения жидких и твердых компонентов на скважинах.

Работа на ГРП хранилищ в водоносных пластах осложнена тем, что при создании хранилища приходится предусматривать средства повышения коэффициентов охвата и вытеснения, регулировки и контроля за процессами нагнетания и отбора газа. Все это предполагает контроль за работой и регулировкой расхода газа всех эксплуатационных скважин.

Количество воды и твердых взвесей, присутствующих в продукции скважин, до сих пор не поддаются приемлемому по точности расчету, как в силу сложности процесса, так и в силу изменчивости условий во времени. В связи с этим при обустройстве ГРП и проектировании режима его работы следует исходить из опыта и аналогий.

С точки зрения количества пластовой воды, поступающей с газом, хранилища, исходя из практики, можно условно разделить на четыре группы.

Первая характеризуется практическим отсутствием в добываемом газе пластовой воды при обычных режимах эксплуатации хранилища. В сепараторах этих хранилищ на 1000 м3 газа выделяется 1--5 л конденсационной воды.

Ко второй группе можно отнести хранилища с малым притоком пластовой воды порядка 5 -- 10 л на 1000 м3 газа.

Третья группа характеризуется большим притоком воды 10 -- 20 л на 1000 м3.

Наконец, к четвертой группе относятся особые хранилища, например, создаваемые в малоамплитудных поднятиях водоносных пластов. На этих объектах возможен приток воды более 20 л на 1000 м3 газа.

ГРП хранилищ третьей и четвертой групп целесообразно оборудовать сепараторами двух ступеней. Первая служит для отделения основного количества капельной воды, вторая -- для тонкой очистки.

Число ГРП на хранилище зависит главным образом от условий местности, числа эксплуатационных скважин и их размещения. Если скважин относительно немного (10 -- 20) и они размещены на площади менее 10 км2, то можно предусматривать сооружение одного ГРП. Если скважин больше, и они сгруппированы на значительном расстоянии друг от друга, то удобней делать два-три ГРП. Задача о рациональном числе ГРП решается на основе экономического расчета и учета реальных условий.

Диаметры шлейфов и коллекторов выбираются, исходя из условия реальной скорости потока газа в них 8--10 м/с при расчетном расходе газа. Такая скорость обеспечивает движение по трубам жидкой и твердой фаз.

Описанная схема обустройства хранилища проста, удобна, но имеет следующие недостатки:

- пылеуловители и масляные сепараторы работают только при закачке газа;

- компрессорная станция не используется при отборе газа;

- не предусмотрено двухступенчатое сжатие газа.

Проектно-исследовательским институтом ВНИПИГаздобыча разработаны типовые схемы обустройства хранилищ газа, свободные от описанных недостатков.

На рисунке 11 Б (приложение Б) изображена одна из схем, разработанная В. П. Карповым, В. Л. Хорошиловым, М. М. Ивановым, позволяющая использовать одни и те же сепараторы при закачке и отборе газа, применять эжектор, подключать или не подключать КС при отборе газа.

Подготовка газа к транспорту осуществляется с помощью НТС. Если НТС не позволяет достичь кондиций газа, предусмотренных ОСТ 51.40--80, то перед ВХ-2 и Т-101 впрыскивается ДЭГ высокой концентрации.

2.2 Проектная часть

2.2.1 Анализ параметров геологического строения Южно-Луговского месторождения с точки зрения строительства подземного хранилища газа

При выборе пласта для создания подземного хранилища было изучено ряд наиболее подходящих горизонтов. Выбор объекта производился согласно условиям предъявляемые при строительстве ПХГ; по интерпретации данных ГИС, по структурным построениям, по сейсмическим исследованиям и т.д. Так же при выборе горизонта учитывается глубина залегания залежи. Это вызвано тем, что в них должно создаваться достаточно высокое давление для обеспечения хранения значительных объемов газа. В то же время степень сжатия закачиваемого газа не должна быть чрезмерно высокой.

В качестве хранилища газа решено использовать залежь III горизонта это объясняется минимальными дополнительными затратами, поскольку предполагается что истощенное газовое месторождение удовлетворяет условиям создания подземного хранилища газа а следовательно минимизируются расходы на дополнительные исследования.

Газоносность этого самого верхнего (в пределах рассматриваемой площади) номенклатурного горизонта нижнемаруямской подсвиты, установлена при проводке второго ствола скважины 13-Южно-Луговской - фиксацией интенсивного газопроявления. Ограничения залежи в разрезе определялись по интерпретации данных ГИС и в плане - структурными построениями; то есть залежь III горизонта также отнесена по изученности к резервуару с запасами категории С2. Согласно структурным построениям - это «водоплавающая» сводовая залежь.

НГГ залежи III горизонта Южно-Луговского месторождения определяется - согласно интерпретации данных ГИС на отметке - 669 м.

2.2.2 Расчет основных параметров подземного хранилища газа

При расчете параметров подземного хранилища газа известны размеры и форма газонасыщенного пласта, объем порового пространства залежи, коэффициенты пористости и проницаемости, пластовые давление и температура, состав газа, размещение нагнетательных скважин на площади газоносности, коэффициенты фильтрационных сопротивлений, изменение расхода закачиваемого в хранилище газа во времени.

Целью данного расчёта является определение:

­ Максимального объема газа закачиваемого в ПХГ (активный)

­ Общого объема газа в хранилище (предельный)

­ Буферного объема газа

­ Время закачки газа в хранилище

­ Давление на забое скважины в конце периода закачки газа

­ Давление на устье нагнетательной скважины в конце периода закачки

­ Вертикальное горное давление,

­ Давление разрыва пласта

­ Числа компрессоров

При проектировании и эксплуатации подземных газохранилищ различают остаточный, активный, буферный и предельный объемы газа.

Остаточным называется минимальное количество газа, которое находилось в залежи перед началом закачки на хранение.

Активным называется объем ежегодно отбираемого и закачиваемого газа. Этот объем определяется по формуле

(10)

где ? -- объем порового пространства; Рmax и Pmin -- максимальное и минимальное давление в хранилище.

Буферным называется объем газа, не извлекаемый из подземного газохранилища, но необходимый для поддержания определенного минимального давления для подачи газа на поверхность, противодействия внедрению в хранилище пластовых вод и т. д.:

(11)

Предельным называется максимальное количество газа, которое можно поместить в хранилище:

(12)

При создании и эксплуатации подземных хранилищ газа различают также максимально допустимое, максимальное, минимальное и среднее давления.

Максимальное и допустимое давление это наибольшее давление в хранилище, которое можно допустить, исходя из условия сохранения покрышки (кровли) пласта. Чем выше давление в пласте, в котором создается хранилище, тем большее количество газа может в нем храниться. Однако при чрезмерном повышении давления может нарушиться герметичность кровли пласта, и создадутся условия для утечки газа в вышележащие пласты либо на поверхность.

Для предупреждения этого максимально допустимое давление в пласте принимается несколько меньшим, чем давление вышележащих пород (горное давление):

 (13)

Максимальным называется давление, установленное на основании технико-экономических расчетов и соответствующее активному объему газа.

Минимальным называется давление, установленное на основании технико-экономических расчетов и соответствующее буферному объему хранимого газа.

(14)

Среднее давление в хранилище определяется из выражения

(15)

где Т -- время, равное году или величине, кратной одному году.

Время закачки газа определяется по соотношению

(16)

Где N(t) -- постоянный расход газа, закачиваемого в хранилище м3/сут.

Для приближенного определения давлений на забое нагнетательных скважин при закачке газа с постоянным темпом используем формулу

(17)

Где (18)

(19)

(20)

(21)

По достижении R значения Rк при равномерном размещении скважин на площади газоносности

(22)

а при батарейном размещении скважин

(23)

Давление на устье нагнетательной скважины определим по формуле Г. А. Адамова

(24)

где

(25)

Давление разрыва пласта

(26)

(27)

где Рвг -- вертикальное горное давление; ?р -- давление расслоения пород (можно принять ?р=1,5 МПа)

Число компрессоров, необходимое для закачки газа в хранилище, находим, полагая, что КС расположена вблизи нагнетательных скважин и потери давления газа на пути КС малы:

(28)

где qк -- расход газа, закачиваемого в пласт одним компрессором известного типа. (Таблица 7 В расчет основных параметров подземного хранилища газа; приложение В)

2.2.3 Разработка технологической схемы добычи газа на месторождении с учетом использования подземного хранилища газа

Из шлейфа 1 через открытую задвижку 2 газ поступает в пылеуловители 3, из которого направляется во всасывающий коллектор 4 газомоторного компрессора 5. Сжатый газ идет в холодильник 6 и далее в установку 7 для очистки от масла.

Очищенный газ под рабочим давлением направляется в подземное хранилище по газопроводу 8. При необходимости подачи газа потребителю из подземного хранилища газ по трубопроводу 9 через открытую задвижку поступает в газопровод рисунок 12 В Технологическая схема подземного хранилища газа (приложение В).

3. Экономическая часть

3.1 Оценка технико-экономических показателей разработки Южно-Луговского месторождения с учетом строительства подземного хранилища газа

К основным технологическим параметрам ПХГ, от которых зависят затраты на его создание и эксплуатацию, относятся: объем буферного газа, число и конструкция добывающих скважин, мощность КС. Все эти параметры взаимосвязаны.

Так, с ростом объема буферного газа уменьшаются число добывающих скважин и мощность КС, используемой в процессе отбора газа, но увеличивается мощность КС на закачку газа.

Увеличение радиуса скважин, гидродинамически совершенных по степени и характеру вскрытия пласта при постоянной максимально допустимой скорости фильтрации на поверхности забоя скважин, приводит к пропорциональному увеличению их дебита, уменьшению числа скважин, что в свою очередь влияет на объем буферного газа и мощность КС.

С другой стороны, использование различных типов компрессоров (поршневых, центробежных или винтовых с разным типом привода) вызывает изменение стоимости закачиваемого буферного газа, а следовательно, сказывается на основных параметрах ПХГ.

3.1.1 Расчет объема капиталовложений на сооружение подземного хранилища газа и их экономической эффективности

Для сооружения ПХГ активным объемом 211 млн. куб. метров необходимо приобретение и сооружение следующего оборудования:

Бурение пяти скважин с обустройством - по цене 159,8 млн. руб.

Компрессор с расходными материалами - по цене 3,1 млн. руб.

Стоимость буферного газа закачиваемый в ПХГ - по цене 12,08

Таким образом общая сумма капиталовложений составит 174,984 млн. руб.

Подробный расчет капиталовложений на сооружение ПХГ представлен в таблице 10 Г (приложения Г).

Срок службы оборудования, эксплуатируемом в ПХГ 12 лет, но в связи с возрастающими потребностями потребителей добыча газа на данном месторождении ориентировочно сведется к 6 годам. В связи с этим расчет экономической эффективности данного инвестиционного проекта выполнен на 6 лет.

По причине ввода в эксплуатацию дополнительного дорогостоящего оборудования и увеличения стоимости основных фондов и объемов добычи природного газа эксплутационные расходы возрастут с 31,18 млн. руб. до 46,16 млн. руб. в год.

Объем добычи газа возрастет с 27,3 млн. куб. м в год до 102 млн. куб. м в первый и второй годы реализации проекта с некоторым постепенным снижением в последующие 4 года до 83 млн. куб. м в год.

Выручка от реализации газа возрастет с 34,06 млн. руб. в год до 99,79 млн. руб. в год. Это в свою очередь повысит суммы валовой и чистой прибыли соответственно с 2,88 и 2,17 млн. руб. до 53,85 и 40,25 млн. руб. в год.

К 6-му году реализации проекта накопленный денежный поток составит 139,41 млн. руб.

Срок окупаемости капитальных вложений составит 4 года. То есть в 5, 6 годы реализации проект будет приносить прибыль.

Подробный расчет всех показателей экономической эффективности представлен в таблице 13 Г приложения Г.

Таким образом, учитывая все полученные показатели экономической эффективности данный инвестиционный проект рекомендуется к принятию.

4. Мероприятия по охране труда и окружаю природной среды при строительстве и эксплуатации подземного хранилища газа

4.1 Мероприятия по охране окружающей природной среды при строительстве и эксплуатации подземного хранилища газа

В процессе разработки газовых месторождений и подземных хранилищ газа происходит интенсивное изменение состояния и перемещение пластовых флюидов, что может вызвать образование поверхностных ореолов загазованности на прилегающих территориях, что обусловливает организацию газогеохимического контроля за состоянием разработки месторождения и ПХГ.

К основным задачам газогеохимического контроля за ПХГ относятся:

- оценка герметичности месторождений и ПХГ;

- определение связей выявленных ореолов загазованности с техническим состоянием промысла и газовой залежи;

- контроль за изменением текущих содержаний отдельных компонентов и газогеохимических показателей;

- прогнозирование типа залежи, типа обводнения скважин, возможной коррозии, наличия межпластовых перетоков и других факторов на основании анализа газогеохимических характеристик.

В профилактических целях комплексный газогеохимический метод оценки загазованности поверхностных отложений и окружающей воздушной среды осуществляется на многих территориях месторождений и ПХГ с периодичностью 1--2 раза в год. Среди прочих методов контроля перспективен геохимический метод, основанный на определении содержания углеводородов в пробах воздуха, отобранных на территории хранилищ и прилегающих участках в сочетании с определением окислительно-восстановительного потенциала вод и интенсивности развития в них углеводородоокисляющих бактерий.

Этот метод широко применяется на многих подземных хранилищах газа.

К проблеме охраны недр и окружающей среды примыкают вопросы, связанные с минимизацией потерь углеводородного сырья при сборе, подготовке, транспорте и хранении нефти и газа, так как их утечки в атмосферу, почву, водоемы не только увеличивают неоправданные потери их для общества, но и приводят к загрязнению окружающей среды.

К основным источникам поступления вредных веществ в атмосферу относятся:

- газоперерабатывающие заводы

- установки комплексной подготовки газа

- газовые скважины при их разгерметизации и продувках

- газоконденсатопроводы

- газопроводы.

Для уменьшения загрязнения воздушного бассейна газодобывающими предприятиями предусматривают различные технологические и организационно-технологические мероприятия.

К основным таким мероприятиям относятся:

- правильный выбор материалов для оборудования, трубопроводов,

арматуры, средств КИП и автоматики, работающих в средах, содержащих кислые газы;

- герметизация системы по добыче, транспорту и промысловой подготовке газа и углеводородного конденсата;

- применение систем автоматических блокировок и аварийной остановки, обеспечивающих отключение оборудования и установок при нарушении технологического режима без разгерметизации системы;

- применение в качестве топлива и для различных технологических нужд газа, прошедшего осушку и сероочистку на газоперерабатывающем заводе или локальных установках на промыслах;

- применение закрытой факельной системы для ликвидации выбросов сероводорода при продувке скважин, трубопроводов, при ремонте технологических установок и т.п. с последующим сжиганием в факелах.

Для уменьшения загрязнения атмосферы углеводородами и другими компонентами, содержащимися в газе, предусматривают сжигание газа в факелах. При эксплуатации факельных систем существует потенциальная опасность распространения фронта пламени от факельного ствола в факельные трубопроводы и даже до технологической установки. Для предотвращения распространения пламени устанавливают на подводящих к факельному стволу газопроводах огнепреградитель или гидрозатвор. Работу факельной системы считают удовлетворительной, если происходит полное и бездымное сгорание газов. Бездымное сжигание газов обычно достигают при смешивании их с водяным паром или подачей распыленной воды.

Рациональный метод очистки необходимо выбирать с учетом следующих требований:

- минимального увеличения себестоимости основной продукции,

- использования минимальных площадок для установки,

- применение недорогих и недефицитных реагентов;

- возможности непосредственного использования конечных продуктов или удобной их переработки;

- полной автоматизации процесса в установке для очистки и гибкости к возможным колебаниям режимов;

- минимального количества сернистых соединений в выбрасываемых из установки газах, обеспечения хорошего рассеивания в атмосфере.

Производственные объекты транспорта и хранения природного газа вносят значительный вклад в загрязнение атмосферного воздуха. Основная часть загрязнителей при нормальном режиме работы поступает в атмосферу в виде пара, газа из резервуаров и технологических аппаратов и при сливо-наливных операциях. Удельный вклад в загрязнение товарно-сырьевых парков, например, составляет около 50 % общего объема потерь.

4.2 Мероприятия по охране труда при строительстве и эксплуатации ПХГ

Для обеспечения безопасных условий труда при обслуживании оборудования и сооружений по сбору, сепарации, очистке и транспортированию газа необходимо прежде всего, соответствие оборудования условиям, возникающим при его эксплуатации, и требованиям, которые предъявляются к каждому виду этого оборудования, установке или к сооружению в целом правилами техники безопасности, строительными нормами и правилами.

Вместе с тем необходимо строжайшее соблюдение правил эксплуатации и правил безопасного обслуживания оборудования и сооружений. В частности, необходим систематический контроль за исправностью трапов, сепараторов, запорной и предохранительной арматуры, контрольно-измерительных приборов. При проведении ремонтных работ должны соблюдаться не только общие правила техники безопасности при выполнении этих работ, но и дополнительные правила (ПБ 08-624-05, СН459-74, ЗД153-39-023-97), отражающие специфичность характера работ по ремонту оборудования и сооружений по сбору, сепарации, очистке и транспортированию газа.