СПОСОБ СОЗДАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНОГО ХРАНИЛИЩА ГАЗА В ОТЛОЖЕНИЯХ КАМЕННОЙ СОЛИ
METHOD OF CREATION AND OPERATION OF UNDERGROUND GAS STORAGE IN DEPOSITS OF ROCK SALT

Изобретение относится газовой, нефтяной, нефтеперерабатывающей промышленности и может быть использовано для хранения природных и промышленных газов в растворимых породах, например отложениях каменной соли.
Известен способ создания и эксплуатации подземного резервуара [1], при котором после завершения процесса выщелачивания из скважины извлекаются размывные колонны, устье скважины оборудуется фонтанной арматурой тройникового или крестового типа, в придонную часть резервуара спускается центральная лифтовая колонна и подвешивается на трубной головке фонтанной арматуры. Далее в межтрубное пространство между лифтовой и обсадной колоннами осуществляется закачка природного газа, а рассол из резервуара вытесняется на поверхность через внутритрубное пространство лифтовой колонны. После полного вытеснения всего объема рассола из резервуара внутритрубное пространство лифтовой колонны герметизируется запорной арматурой на устье скважины, и дальнейшая циклическая эксплуатация подземного резервуара (закачка и отбор природного газа) осуществляется по межтрубному пространству между лифтовой и обсадной колоннами. Лифтовая колонна используется по мере необходимости для заполнения подземного резервуара рассолом с целью проведения ремонтно-восстановительных работ и для прохождения геофизических приборов.
Недостатками данного способа являются:
- непосредственное воздействие на обсадную колонну знакопеременных перепадов величин давления и температуры в процессе газовой эксплуатации, что чревато преждевременными нарушениями целостности цементного камня за обсадной колонной, дальнейшим возникновением и прогрессированием межколонных газопроявлений и грифонов на устье скважины;
- свободно подвешенная в трубной головке фонтанной арматуры лифтовая колонна никаким образом не закреплена в интервалах обсадной колонны и донной части подземного резервуара; вибрации, возникающие в процессе циклической закачки и отбора газа непосредственным образом будут особенно интенсивно воздействовать на нижнюю секцию колонны, в перспективе приводя к деформации или обрыву части труб.
Наиболее близким к изобретению является способ создания и эксплуатации подземного резервуара [2], при котором по окончании процесса бурения скважины и размыва резервуара производится полный подъем размывных колонн и демонтаж размывочного оголовка. В скважину на заданную отметку в непосредственной близости от дна резервуара спускается лифтовая колонна труб с забойным оборудованием (ниппелем клапана-отсекателя, пакером и циркуляционным клапаном). При этом пакер находится в открытом положении, а циркуляционный клапан в закрытом. На устье скважины монтируется фонтанная арматура для газовой эксплуатации, лифтовая колонна подвешивается в трубной головке фонтанной арматуры. Далее по подводящему шлейфу от компрессорной станции начинается закачка природного газа в затрубное пространство между обсадной и лифтовой колонной. Избыточным давлением газа рассол, находящийся в подземном резервуаре, вытесняется на поверхность через внутритрубное пространство лифтовой колонны. Рассол вытесняется до отметки, расположенной на 1 м выше башмака лифтовой колонны, после чего подача газа в затрубное пространство прекращается. В ниппель, расположенный в непосредственной близости от башмака лифтовой колонны, спускается и устанавливается обратный клапан, необходимый для создания избыточного давления внутри лифтовой колонны для раскрытия пакера, далее пакер раскрывается, изолируя затрубное пространство от башмака обсадной колонны до устья скважины. В образовавшееся замкнутое затрубное пространство с устья скважины закачивается раствор буферной жидкости с ингибитором коррозии. Далее через герметизирующее устройство (лубрикатор), установленный на фонтанную арматуру, производится открытие циркуляционного клапана. После открытия циркуляционного клапана внутритрубное пространство лифтовой колонны заполняется (осваивается) природным газом, остатки рассола из лифтовой колонны стекают и собираются на дне резервуара в виде неизвлекаемого остатка. Дальнейшая циклическая эксплуатация резервуара в качестве подземного хранилища газа (отбор и закачка) производится через лифтовую колонну и отверстия циркуляционного клапана.
Недостатками известного способа являются:
- необходимость использования лубрикаторной установки и, соответственно, канатной техники для открытия циркуляционного клапана; исходя из практики эксплуатации, внутренняя полость циркуляционного клапана получает значительные коррозионные повреждения во время вытеснения рассола (до 6 месяцев) вследствие образований на его корпусе и подвижных элементах отложений из наростов соли и механических включений; что препятствует открытию циркуляционного клапана с применением канатной техники;
- лифтовая колонна установлена таким образом, что вибрации, возникающие в процессе циклической закачки и отбора газа, воздействуют на нижнюю секцию колонны и приводят к деформации или обрыву части труб.
Вследствие указанных недостатков известные технические решения имеют недостаточную надежность при создании и эксплуатации подземных хранилищ газа.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности создания и эксплуатации подземных хранилищ газа с достижением максимально возможного уровня промышленной безопасности, а также устранение вышеуказанных недостатков.
В результате решения указанной задачи достигаются следующие преимущества заявляемого способа:
возможность использования в качестве элементов подземного оборудования типовых изделий, достаточно освоенных современными производителями, специализирующимися на разработке и выпуске устройств для нефтегазового комплекса;
отсутствие необходимости спуска в скважину канатной техники с установкой герметизирующих устройств на устье скважины, что обеспечивает максимально высокий уровень промышленной безопасности и минимизацию рисков отказа элементов оборудования;
обеспечение надежной изоляции и герметизации затрубного пространства от полости подземного резервуара и соответственно создание защиты обсадной эксплуатационной колонны и цементного кольца за ней от разрушения вследствие знакопеременного воздействия избыточного давления и температурных перепадов.
обеспечение надежного якорения лифтовой газовой колонны в донной части резервуара, что исключает возникновение вибрационных колебаний незакрепленного окончания колонны, возможную деформацию или обрыв части труб в ходе газовой эксплуатации
штифт
Поставленная задача решается, а технический результат достигается в способе создания и эксплуатации подземного хранилища газа в отложениях каменной соли, при котором бурят скважину в отложениях каменной соли, конструкция которой включает зацементированные кондуктор, промежуточную (одну или несколько) и обсадную колонну, спускают в нее размывные колонны, осуществляют выщелачивание соли из скважины, образуя резервуар, извлекают размывные колонны, в обсадной колонне устанавливают лифтовую колонну с пакером, закачивают газ в межтрубье обсадной и лифтовой колонн и вытесняют рассол по лифтовой колонне, заполняют резервуар газом, прекращают подачу газа, создают избыточное давление, при котором раскрывается пакер, и изолируют межтрубное пространство, остатки рассола стекают на дно резервуара, лифтовую колонну заполняют газом, в котором согласно изобретению, перед установкой лифтовой колонны в ее нижней трубе в нижней части выполняют отверстия и размещают в ее внутритрубном пространстве над ними улавливатель, а нижний торец нижней трубы оснащают зубцами, между трубами лифтовой колонны встраивают патрубок с отверстиями и устанавливают в нем втулку с посадочным седлом, при этом внутреннюю поверхность патрубка и наружную поверхность втулки выполняют конусными и ответными друг другу с конусностью, направленной вверх, а при установке лифтовой колонны осуществляют разгрузку ее веса на дно резервуара и закрепляют в нем зубцы, устанавливают фонтанную елку и обвязывают устье шлейфами, причем вытесняют рассол из резервуара через отверстия в лифтовой колонне, а для создания избыточного давления в лифтовую колонну подают рассол, перекрывают ее путем вбрасывания с устья посадочной пробки, которая садится в седло втулки, и после раскрытия пакера продолжают подавать рассол в лифтовую колонну и повышать избыточное давление до срезания штифтов в патрубке и падения втулки в уловитель, и открывают отверстия в патрубке, через которые рассол стекает на дно резервуара, лифтовую колонну заполняют газом через отверстия в патрубке, причем втулку в патрубке фиксируют штифтами, диаметр d и количество n которых определяют по выражению:
(1), где
пак
срез
Р, МПа, - перепад давлений между внутритрубным пространством лифтовой колонны и подземным резервуаром, необходимый для срабатывания гидравлического пакера, Р, МПа - перепад давлений между внутритрубным пространством лифтовой колонны и межтрубным пространством, необходимый для среза штифтов, которое выбирают из условия
k - эмпирический коэффициент, зависящий от длительности пребывания втулки в рассольной среде и иных геолого-технических условий,
срез
τ, МПа, - напряжение среза материала штифтов,
n - количество штифтов,
патр
d, мм, - внутренний диаметр патрубка.
Отверстия в нижней трубе лифтовой колонны выполняют суммарной площадью, соответствующей или превышающей площадь внутреннего сечения труб лифтовой колонны с соблюдением условия:
где
m - количество отверстий,
отв
S - площадь поперечного сечения одного отверстия,
кол
S - площадь внутреннего сечения труб лифтовой колонны.
Отверстия в нижней трубе лифтовой колонны выполняют на расстоянии выше 3-3,5 м зубцов. При расположении указанных отверстий на расстоянии менее 3 м от зубцов во время циркуляции рассола будет происходить нежелательный подхват потоком жидкости механических включений со дна резервуара, что потенциально приведет к зашламовыванию внутренней полости лифтовой колонны. При расположении отверстий выше отметки 3,5 м от зубцов будет нерационально использован геометрический объем резервуара для целей хранения природного газа.
Отверстия в патрубке выполняют суммарной площадью, соответствующей или превышающей площадь внутреннего сечения труб лифтовой колонны с соблюдением условия (3).
Нижнюю поверхность посадочной пробки выполняют сферической.
Лифтовую колонну при установке разгружают на 10-20 кН.
При установке лифтовой колонны отверстия в патрубке располагают на уровне купольной части резервуара на расстоянии не более 40 м от отметки низа обсадной колонны, а гидравлический пакер размещают на расстоянии, не более чем на 80 м выше упомянутых отверстий. Взаимное расположение патрубка относительно пакера обуславливается компромиссом между необходимостью расположения отверстий в патрубке непосредственно в открытом объеме резервуара для минимизации воздействия турбулентных потоков газа на цементное кольцо нижней трубы обсадной колонны, и избежанием эффекта «пружины», который возникает вследствие упругой деформации части лифтовой колонны между сработавшим пакером и патрубком в момент среза штифтов и резкого падения давления в лифтовой колонне.
Посадочную пробку вбрасывают с применением задвижек фонтанной елки.
В частном случае исполнения улавливатель выполняют в виде кольца, наружный диаметр которого соответствует внутреннему диаметру трубы лифтовой колонны.
В другом случае исполнения улавливатель выполняют в виде крупноячеистой решетки.
Межтрубное пространство заполняют протекторной жидкостью после раскрытия пакера перед эксплуатацией резервуара.
Изобретение поясняется фигурами.
На фиг. 1 изображена схема осуществления способа создания и эксплуатации подземного хранилища газа в отложениях каменной соли после установки лифтовой колонны;
На фиг. 2 - нижняя труба лифтовой колонны;
На фиг. 3 - вид I на фиг. 1;
На фиг. 4 - схема осуществления способа создания и эксплуатации подземного хранилища газа в отложениях каменной соли после срабатывания пакера и падения втулки.
На фигурах используются следующие обозначения:
1 - колонная головка;
2 - фонтанная арматура;
3 - фонтанная елка;
4 - обсадная колонна;
5 - лифтовая колонна;
6 - пакер;
7 - патрубок;
8 - втулка;
9 - зубцы;
10 - улавливатель;
11 - газовый шлейф;
12 - рассольный шлейф;
13 - посадочная пробка;
14 - отверстия;
15 - отверстия;
16 - штифт;
17 - седло;
18 - нижняя труба.
Способ осуществляется следующим образом.
Бурят скважину в отложениях каменной соли, устанавливают обсадную колонну, цементируют, спускают в нее размывные колонны, осуществляют выщелачивание соли из скважины, образуя резервуар. После завершения процесса размыва подземного резервуара демонтируют водорассольную обвязку устья скважины вместе с размывочным оголовком и с помощью подъемной буровой установки производят полный подъем размывных колонн из скважины.
Исходное состояние скважины следующее: ствол скважины на всем протяжении от устья до входа в подземный резервуар закреплен зацементированной обсадной колонной 4, которая на устье обвязана колонной головкой 1. Подземный резервуар полностью заполнен рассолом, образовавшимся за период создания резервуара.
Далее устанавливают на колонную головку 1 фонтанную арматуру 2 для газовой эксплуатации. В обсадной колонне 4 устанавливают лифтовую колонну 5 с гидравлическим пакером 6 (фиг. 1).
Для чего над устьем скважины начинают сборку лифтовой колонны 5 с одновременным спуском ее в скважину посредством подъемной буровой установки. Лифтовую колонну 5 собирают из отдельных труб длиной по 8-12 м, торцы которых последовательно соединяют между собой жестким герметичным соединением.
В нижней части нижней трубы 18 (фиг. 2) лифтовой колонны 5 выполняют сквозные отверстия 14 для циркуляции рассола и размещают в ее внутритрубном пространстве над ними улавливатель 10, а в нижнем торце нижней трубы 18 лифтовой колонны 5 вырезают зубцы 9, выполняющие функцию якоря.
Отверстия 14 высверливают в лифтовой колонне 5 в несколько рядов на расстоянии 3-3,5 м выше зубцов 9, при этом отверстия 14 выполняют суммарной площадью, соответствующей или превышающей площадь внутреннего сечения нижней трубы 18 лифтовой колонны 5 с соблюдением условия (3).
кол
кол
2
2
Так, при лифтовой колонне 5, состоящей из труб ОТТГ-168⋅8,9 ГОСТ 632 с внутренним диаметром: d=150 мм, S=3,14⋅150/4=17663 мм.
отв
2
Соблюдая (3), примем: m⋅S=18000 мм.
Отсюда выразим значение диаметра одного отверстия 14:
отв
Далее принимая количество отверстий 14: m=20, соответственно, их диаметр d=34 мм.
Во внутренней части нижней трубы 18 лифтовой колонны 5 над отверстиями 14 жестким соединением закрепляют улавливатель 10.
Улавливатель 10 выполняют в виде металлического кольца, наружный диаметр которого равен внутреннему диаметру нижней трубы 18 лифтовой колонны 5, например 150 мм. Улавливатель 10 также может быть выполнен в виде крупноячеистой решетки, не препятствующей циркуляции жидкости внутри нижней трубы.
отв
=
Между трубами лифтовой колонны 5, например через 10 труб от нижней трубы 18, встраивают патрубок 7. Предварительно в патрубке 7 в несколько рядов выполняют сквозные отверстия 15. Отверстия 15 выполняют суммарной площадью, соответствующей или превышающей площадь внутреннего сечения труб лифтовой колонны 5 с соблюдением условия (3). В настоящем примере выполнения количество отверстий 15: m=20, соответственно, их диаметр d34 мм.
Затем в патрубке 7 устанавливают втулку 8 (фиг. 3). При этом внутреннюю поверхность патрубка 7 и наружную поверхность втулки 8 выполняют конусными и ответными друг другу с конусностью, направленной вверх, и при установке втулки 8 ее запрессовывают в патрубок 7 снизу вверх. В нижней части втулки 8 выполняют седло 17 для последующего размещения в нем посадочной пробки 13 с нижней сферической поверхностью.
Окончательную жесткую фиксацию втулки 8 внутри патрубка 7 выполняют с помощью нескольких стопорящих штифтов 16, которые устанавливают в отверстия в патрубке 7 и ответные им отверстия втулки 8, соосно совпадающие после запрессовки втулки 8 в патрубок 7.
пак
патр
Диаметр штифтов 16 определяют по выражению (1), применяя условие (2), с учетом технических характеристик гидравлического пакера 6 Р=12 МПа; d=150 мм.
Эмпирический коэффициент, зависящий от длительности пребывания втулки 8 в рассольной среде и иных геолого-технических условий и определенный экспериментальным путем, принимают k=1,05.
срез
срез
В соответствии с (2) Р≥15 МПа, примают Р=16 МПа.
Подставив в (1) исходные данные, получают:
штифт
Далее из полученного соотношения при n=10: d=12 мм.
После сборки патрубка 7 соединяют его нижний торец жестким герметичным соединением с верхним торцом трубы секции лифтовой колонны 5, уже спущенной в скважину. Верхний торец патрубка 7 соединяют с нижним торцом очередной трубы лифтовой колонны 5 и продолжают спуск вышеописанным способом.
Через несколько (2-8) труб, например 2, выше патрубка 7 в состав лифтовой колонны 5 включаем гидравлический пакер 6, наружный диаметр которого в транспортном положении должен удовлетворять следующему условию:
п нар трансп
внутр обс
d < (d - 11), где
п нар трансп
d, мм, - наружный диаметр пакера 6 в транспортном положении,
внутр обс
d, мм, - внутренний диаметр обсадной колонны 4.
Так, при обсадной колонне 4, состоящей из труб ОТТГ-245⋅8,9 ГОСТ 632, наружный диаметр пакера 6 в транспортном положении принимают 216 мм.
Нижний и верхний торцы пакера 6 стыкуют с торцами труб лифтовой колонны 5 жесткими герметичными соединениями и продолжают спуск лифтовой колонны 5 в скважину, при этом отверстия 15 в патрубке 7 располагают на уровне купольной части резервуара на расстоянии не более 40 м от отметки низа обсадной колонны, а пакер 6 размещают на расстоянии, не более чем на 80 м выше упомянутых отверстий 15.
После достижения общей длины лифтовой колонны 5 величины, равной глубине отметки дна подземного резервуара, осуществляют разгрузку веса лифтовой колонны 5 на дно резервуара на величину от 10 до 20 кН. Величину разгрузки контролируют с помощью индикатора веса, установленного на подъемной буровой установке. При разгрузке веса колонны зубцы 9 нижней трубы 18 внедряются в осадочные породы дна резервуара, обеспечивая надежное якорение нижней секции колонны, находящейся в интервале подземного резервуара.
Верхнюю трубу лифтовой колонны 5 жестко закрепляют в корпусе фонтанной арматуры. На фонтанную арматуру устанавливают фонтанную елку 3 и обвязывают устье скважины газовыми 11 и рассольным 12 шлейфами. Схему обвязки устья газовыми шлейфами 11 обустраивают с учетом возможности направления реверсного потока газа как через внутреннее пространство лифтовой колонны 5, так и через затрубное пространство между наружной стенкой лифтовой колонны 5 и внутренней стенкой обсадной колонны 4.
пак
Далее через газовый шлейф 11 наземными компрессорными установками закачивают природный газ в межтрубное пространство обсадной 4 и лифтовой колонн 5, и вытесняют рассол из резервуара потоком газа, который через отверстия 14 поступает во внутритрубное пространство лифтовой колонны 5, поднимается на устье скважины и через рассольный шлейф удаляется в рассолохранилище (фиг. 1). После заполнения резервуара газом и оттеснения границы «газ-рассол» до уровня отверстий 14 во внутритрубное пространство лифтовой колонны 5 начнется поступление газа. При появлении первых признаков газирования вытесняемого рассола, выходящего на устье скважины, прекращают закачку газа в межтрубное пространство. В лифтовой колонне 5 создают избыточное давление, для чего к фонтанной елке 3 подключают насосный агрегат и обратным потоком рассола производят заполнение (глушение) внутритрубного пространства лифтовой колоны 5 до прекращения признаков насыщения газом столба жидкости, перекрывают лифтовую колонну 5, вбрасывая с устья во внутритрубное пространство лифтовой колонны 5 посадочную пробку 13, используя задвижки фонтанной елки в качестве «шлюзовой камеры». Посадочная пробка 13 под действием силы тяжести в рассольной среде плавно опускается по внутритрубному пространству лифтовой колонны 5 и садится в седло 17 втулки 8, наглухо перекрывая внутритрубное пространство лифтовой колонны 5. Учитывая типовую глубину скважины подземного резервуара ~ 1000 м, время достижения посадочной пробкой 13 седла 17 составляет около 30 минут. Далее начинают создавать избыточное давление во внутритрубном пространстве лифтовой колонны 5 путем закачки в нее рассола. При достижении уровня перепада давлений между внутритрубным пространством лифтовой колонны 5 и подземным резервуаром, необходимого для срабатывания гидравлического пакера, Р=12 МПа, срабатывает и раскрывается пакер 6, изолируя межтрубное пространство между обсадной 4 и лифтовой 5 колоннами от полости подземного резервуара.
срез
Продолжают подавать рассол и повышать избыточное давление во внутритрубном пространстве лифтовой колонны 5. При достижении уровня перепада давлений между внутритрубным пространством лифтовой колонны 5 и межтрубным пространством, необходимого для среза штифтов, значения Р=16 МПа, штифты 16, соединяющие втулку 8 с патрубком 7, срезаются, втулка 8 вместе с посадочной пробкой 13 вылетает из патрубка 7 и падает на улавливатель 10, открывая отверстия 15 патрубка 7, через которые образуется сообщение между внутритрубным пространством лифтовой колонны 5 и подземным резервуаром, в результате чего рассол из внутритрубного пространства стекает на дно резервуара, а лифтовая колонна 5 заполняется природным газом (фиг. 4). В изолированное межтрубное кольцевое пространство между обсадной 4 и лифтовой 5 колоннами над пакером 6 с устья закачивают протекторную жидкость. Дальнейшую эксплуатацию подземного резервуара в качестве объекта хранения природного газа (закачка и отбор) производят по лифтовой колонне 5, отверстиям 15 и газовым шлейфам.
В процессе эксплуатации подземного хранилища газа при необходимости проведения ремонтно-восстановительных работ в резервуаре необходимо произвести полный отбор природного газа с замещением его рассолом. Для этого сначала производят частичный отбор природного газа до достижения минимально допустимой величины избыточного давления в резервуаре, определяемой характеристиками механической устойчивости к деформациям стенок резервуара. Далее через рассольный шлейф начинают закачку рассола в лифтовую колонну 5 и далее в резервуар через отверстия 15. По мере заполнения резервуара рассолом избыточное давление в резервуаре будет повышаться за счет сжатия находящегося в закрытом объеме природного газа. По достижении избыточного давления в резервуаре максимально допустимой величины останавливают закачку рассола, дожидаются заполнения (освоения) внутритрубного пространства лифтовой колонны 5 природным газом, и далее через газовый шлейф отбирают из резервуара очередной объем природного газа до минимально допустимого давления. Таким образом чередуют циклы закачки рассола и отбора газа до повышения и установления границы «рассол-газ» на уровне выше верхнего ряда отверстий 15.
Далее производят операцию по снятию (распакеровке) пакера 6 в соответствии с руководством по его эксплуатации. После распакеровки образуется сообщение между полостью подземного резервуара и затрубным пространством между лифтовой 5 и обсадной 4 колоннами. Остаточный объем природного газа, защемленный в интервале между патрубком 7 и пакером 6, полностью отбирают из резервуара по затрубному пространству в газовый шлейф с одновременным доливом рассола через рассольный шлейф в лифтовую колонну 5. В итоге подземный резервуар полностью освобожден от природного газа, заполнен рассолом и готов к проведению ремонтно-восстановительных работ.
1. Горифьянов В.И., Игошин А.И. и др. Разработка и применение технологических схем эксплуатации подземных хранилищ газа. НТО. сер. Транспорт и подземное хранение газа, вып.11, 1988, с. 14.
2. Мазуров В.А. Подземные газохранилища в отложениях каменной соли. М.: Недра, 1982, с. 191-192.