СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНОГО ХРАНИЛИЩА ПРИРОДНОГО ГАЗА
METHOD OF UNDERGROUND GAS STORAGE OPERATION

Изобретение относится к области нефтегазовой промышленности и предназначено для эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ).
Известен способ эксплуатации подземного хранилища природного газа в пластах-коллекторах, включающий закачку буферного объема газа и циклическую закачку и отбор активного объема газа, причем после отбора/закачки активного объема газа определяют значение текущего пластового давления в ПХГ, при значении данного давления ниже величины минимального/максимального проектного давления в пласт-коллектор дополнительно закачивают инертный газ в объеме, обеспечивающем повышение величины текущего пластового давления до проектного значения, при этом в качестве инертного газа используют азот, диоксид углерода или любой другой газ, который не содержит компонентов, которые могут реагировать с оборудованием и средой пласта-коллектора (Патент на полезную модель Украины №40544, 10.04.2009).
Основным недостатком известного способа является то, что при эксплуатации ПХГ возникает потребность в определенных объемах инертного газа (например, диоксида углерода), необходимых для разовых закачек и поддержания в ПХГ проектных величин пластового давления.
Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение активного объема хранимого природного газа в ПХГ, снижение затрат на образование его буферного объема и захоронение диоксида углерода как промышленного отхода.
Поставленная техническая задача решается за счет того, что в способе эксплуатации подземного хранилища природного газа, включающем сооружение эксплуатационных скважин со вскрытием коллекторов хранилища, циклическую закачку в хранилище природного газа с созданием буферного и активного его объемов, отбор активного объема природного газа и закачку в хранилище диоксида углерода с заменой на него части буферного объема природного газа, в процессе эксплуатации подземного хранилища газа суммарное количество диоксида углерода закачивают с таким расчетом, чтобы в конце циклов отбора природного газа граница раздела диоксида углерода и природного газа в хранилище достигала нижних интервалов вскрытия коллекторов эксплуатационными скважинами, используемыми для отбора газа.
Сущность изобретения заключается в следующем.
2
Подземные хранилища природного газа (ПХГ) создают в выработанных газовых или нефтяных месторождениях или в геологических структурах, коллектора которых заполнены водой. Эксплуатация ПХГ заключается в циклической закачке природного газа в коллектора геологической структуры через сооружаемые эксплуатационные скважины с достижением величины пластового давления, не более максимального допустимого давления, зависящего от многих геологических факторов (герметичность покрышки геологической структуры, глубина структуры, активность окружающего водоносного бассейна и др.) и отборе природного газа из ПХГ потребителю по мере необходимости. При этом в ПХГ в процессе отбора природного газа остается некоторый его объем, зависящий от геологических, технологических и др. причин, который называют буферным газом. В ПХГ всегда имеется некоторый объем природного газа, который не может быть поставлен потребителю. Объем буферного газа может достигать половины и более всего объема газа в ПХГ после цикла закачки. При использовании описываемого изобретения предлагается замещать часть природного газа в буферном его объеме в ПХГ на неуглеводородные газы, например диоксид углерода (CO). Источниками таких газов могут служить газы, в том числе не утилизируемые и загрязняющие природную среду, например дымные газы, выхлопные газы и др.
2
Диоксид углерода отличается от природного газа (метана) значительно большими плотностью и сжимаемостью, поэтому при его закачке в ПХГ изначально можно предполагать высокие скорости расслоения диоксида углерода и природного газа. Для ускорения процесса расслоения газов и создание в ПХГ буферного объема газа преимущественно за счет диоксида углерода предлагается CO закачивать в нижнюю часть ПХГ.
2
Создаваемая в ПХГ искусственная залежь природного газа, которая при отборе газа разрабатывается, а при закачке газа восстанавливается, снизу может подстилаться пластовой водой. Поскольку диоксид углерода имеет большую плотность и, кроме того, большую вязкость, по сравнению с метаном, то буферный объем CO в ПХГ выполняет роль газового поршня между пластовой водой и хранимым природным газом, который препятствует преждевременному прорыву пластовой воды к эксплуатационным скважинам при отборе природного газа и уменьшает его потери за счет растворимости в пластовой воде в случае непосредственного контакта с ней.
2
2
4
2
3
Кроме того известно, что газ CO обладает значительно большей растворимостью в воде, чем метан. Так при температуре 40°C растворимость CO составляет 1, а CH - 0,016 (граммы газа в 1 кг воды). Поэтому при закачке в ПХГ диоксида углерода в область контакта природного газа с водой значительная часть диоксида углерода будет растворяться в воде с образованием слабой малостабильной угольной кислоты (HCO), а при отборе природного газа из ПХГ по мере снижения пластового давления диоксид углерода снова будет возвращаться в газовую фазу, оттесняя природный газ к эксплуатационным скважинам.
2
Производить закачку диоксида углерода предпочтительнее на стадии закачки природного газа в ПХГ, чтобы за время выдержки ПХГ до стадии отбора природного газа из ПХГ произошло расслоение диоксида углерода и природного газа. В качестве скважин для закачки CO в ПХГ могут быть использованы имеющиеся, например, наблюдательные скважины, имеющие связь (интервал перфорации) с коллекторами геологической структуры для ПХГ на контакте с пластовой водой, или специальные скважины, специально сооружаемые для этого.
Наибольшая эффективность описываемого изобретения достигается в ПХГ, созданных на базе истощенных газовых месторождений с газовым режимом их эксплуатации, в которых за время отбора газа не успевает среагировать и продвинуться в поровое пространство коллекторов ПХГ пластовая вода. В таких ПХГ соотношение объемов всего хранимого в ПХГ природного газа в конце закачки и буферного его объема практически равно соотношению давлений в конце закачки и после отбора газа, поэтому имеется возможность замещения природного газа в буферном его объеме в размере, равном поровому объему ПХГ (с учетом давления) от нижней границы до интервала перфорации эксплуатационных скважин, используемых в конце цикла отбора природного газа.
Пример реализации способа.
З
O
П
3
Имеется ПХГ, созданное в истощенном газовом месторождении с газовым режимом эксплуатации (с малоактивной пластовой водой). Максимальное пластовое давление в конце цикла закачки природного газа (P) составляет 10 МПа, минимальное пластовое давление в конце цикла отбора газа из ПХГ (P), потребное для подачи газа потребителю, составляет 5 МПа. Объем порового объема ПХГ (V) составляет 100 млн.м, пластовая температура - T=320 K. Отношение порового объема ПХГ от плоскости нижних дыр интервала перфорации эксплуатационных скважин, используемых в конце цикла отбора газа, до покрышки ПХГ ко всему объему ПХГ составляет 0,4. Хранимый природный газ в ПХГ по составу является преимущественно метаном.
CH4
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>V</mi><mrow><mi>C</mi><mi>H</mi><mn>4</mn></mrow><mi>б</mi></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Определяем объем газа (V), который может храниться в таком ПХГ, и объем, остающийся в ПХГ после отбора газа, т.е. объем буферного газа
:
CH4
П
З
3
V=V·P·Tст/Zз·Тпл·Рст=100·10·293/0,89·320·0,1=10288 млн.м,
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>V</mi><mrow><mi>C</mi><mi>H</mi><mn>4</mn></mrow><mi>б</mi></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mi>П</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>P</mi><mi>О</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>T</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mo>/</mo><mi>Z</mi><mi>o</mi><mo>⋅</mo><mi>T</mi><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>⋅</mo><mi>P</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mo>=</mo><mn>100</mn><mo>⋅</mo><mn>5</mn><mo>⋅</mo><mn>293</mn><mo>/</mo><mn>0,93</mn><mo>⋅</mo><mn>320</mn><mo>⋅</mo><mn>0,1</mn><mo>=</mo><mn>4923</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>л</mi><mi>н</mi><mo>.</mo><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup></mrow>
,
где Zз - коэффициент сжимаемости метана в конце цикла закачки (Zз=0,89) и отбора (Zo=0,93) газа при соответствующих пластовых условиях; Tст, Pст - стандартные температура (293 K) и давление (0,1 МПа).
3
Из приведенных вычислений видно, что объем буферного газа в ПХГ составляет 0,48 (4923/10288) всего объема хранимого газа, а объем активного газа - 5365 млн.м.
2
По предлагаемому способу закачиваем в нижнюю часть ПХГ диоксид углерода с таким расчетом, чтобы в конце цикла отбора газа его верхняя граница достигала плоскости нижних дыр интервала перфорации эксплуатационных скважин, т.е. для наших условий объем CO в конце цикла отбора газа будет занимать в ПХГ 0,6 всего его порового объема.
2
Определяем объем CO, который мы можем закачать в ПХГ:
CO2
П
O
CO2
3
V=0,6·V·P·Тст/Z·Тпл·Рст=0,6·100·5·293/0,8·320·0,1=3434 млн.м,
CO2
2
где Z=0,8 - коэффициент сжимаемости CO при пластовом давлении 5 МПа.
2
По найденной величине определяем объем порового пространства ПХГ, занимаемый CO в конце цикла закачки газа:
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mrow><mi>C</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></mrow><mi>П</mi></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>C</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>T</mi><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>⋅</mo><mi>P</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>Z</mi><mrow><mi>C</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>/</mo><mi>T</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>P</mi><mi>З</mi></msub><mo>=</mo><mn>3434</mn><mo>⋅</mo><mn>320</mn><mo>⋅</mo><mn>0,1</mn><mo>⋅</mo><mn>0,4.293</mn><mo>⋅</mo><mn>10</mn><mo>=</mo><mn>15</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>л</mi><mi>н</mi><mo>.</mo><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup></mrow>
,
CO2
2
где Z=0,4 - коэффициент сжимаемости CO при пластовом давлении 10 МПа.
Остальную часть порового пространства ПХГ будет занимать газ (метан), в результате объем хранимого газа составит:
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mrow><mi>C</mi><mi>H</mi><mn>4</mn></mrow><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>V</mi><mi>П</mi></msub><mo>−</mo><msubsup><mi>V</mi><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>C</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mi>П</mi></msubsup><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>P</mi><mi>З</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>T</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mo>/</mo><mi>Z</mi><mi>з</mi><mo>⋅</mo><mi>P</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>100</mn><mo>−</mo><mn>15</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mn>10</mn><mo>⋅</mo><mn>293</mn><mo>/</mo><mn>0,89</mn><mo>⋅</mo><mn>320</mn><mo>⋅</mo><mn>0,1</mn><mo>=</mo><mn>8745</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>л</mi><mi>н</mi><mo>.</mo><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup></mrow>
Из данной величины буферный объем газа составит:
<mrow><mi>V</mi><msubsup><mo>'</mo><mrow><mi>C</mi><mi>H</mi><mn>4</mn></mrow><mi>б</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>0,4</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mi>П</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>P</mi><mi>О</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>T</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mo>/</mo><mi>Z</mi><mi>o</mi><mo>⋅</mo><mi>T</mi><mi>п</mi><mi>л</mi><mo>⋅</mo><mi>P</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mo>=</mo><mn>0,4</mn><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mo>⋅</mo><mn>5</mn><mo>⋅</mo><mn>293</mn><mo>/</mo><mn>0,93</mn><mo>⋅</mo><mn>320</mn><mo>⋅</mo><mn>0,1</mn><mo>=</mo><mn>1969</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>л</mi><mi>н</mi><mo>.</mo><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup></mrow>
,
3
а активный (8745-1969)-6776 млн.м.
3
3
3
3
3
Таким образом, на ПХГ с описанными параметрами имеется возможность увеличить объем активного газа с 5365 млн.м до 6776 млн.м, а объем буферного газа уменьшить с 4923 млн.м до 1969 млн.м. Кроме того, предлагаемый способ позволяет захоронить 3434 млн.м диоксида углерода.
2
В случае невозможности закачки всего объема диоксида углерода за один цикл, данная операция может быть реализована за несколько циклов закачки газа, при этом по методике, изложенной в примере реализации предлагаемого изобретения, определяется объем порового пространства ПХГ, занимаемый CO на каждом цикле закачки газа, а также объем закачиваемого природного газа с достижением максимального значения закачиваемого диоксида углерода на каком-то цикле закачки газа и соответствующих ему объемов хранимого и активного природного газа в ПХГ.
При использовании предлагаемого способа эксплуатации ПХГ значительно сокращаются объемы консервации природного газа на создание его буферных величин, увеличиваются активные объемы его хранения и использования, кроме того, имеется возможность утилизации (захоронение) значительных объемов диоксида углерода или других газов, загрязняющих природную среду.