СПОСОБ ХРАНЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ПОДЗЕМНОМ РЕЗЕРВУАРЕ, СООРУЖЕННОМ В ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ
METHOD FOR NATURAL GAS STORAGE IN SUBSURFACE TANK CONSTRUCTED IN DEEP-FROZEN SOIL

Предлагаемое изобретение относится к области подземного хранения природного газа и может быть использовано в районах распространения вечной мерзлоты предпочтительно в системах газоснабжения потребителей небольших объемов природного газа, удаленных от мест его добычи и газопроводов для его транспортировки.
Узловой проблемой является быстрый (например, в пределах 12-48 часов) отбор доставленного в объеме годовой потребности (или ее части) природного газа из транспортного средства (криогенного танкера-метановоза, автометановоза, возможно, аэростата) в местное хранилище природного газа, во избежание длительного простоя транспортного средства под разгрузкой.
3
Сложность проблемы в том, что необходимо принять и хранить, например, 1 млн м природного газа с возможностью постепенного его отбора на потребление при минимальных затратах и в экстремально сложных физико-географических условиях.
2
3
3
Известен способ хранения природного газа в сжатом состоянии в подземной каверне, размытой водой в каменной соли под давлением обычно выше 100 кг/см(Мазуров В.А. Подземные хранилища в каменной соли, М., Недра, 1982 г). Для хранения 1 млн.м природного газа необходима каверна объемом более 10000 м, размытая на глубине не менее 600 м. Однако залежей каменной соли, необходимых для сооружения такой каверны в рассматриваемых регионах, как правило, нет. Кроме того, ее строительство требует больших затрат средств и времени.
2
Наиболее близким к предлагаемому является способ хранения газа в подземной каверне, размытой водой в толще вечной мерзлоты (Макаров П.В. Подземные газохранилища в вечной мерзлоте. Газовая промышленность, 1999, №.2, сс.70-71). Недостатком известного способа является необходимость поддержания в каверне давлений порядка 100 кг/см, что требует заглубления ее ниже поверхности земли не менее чем на 500 м, тогда как мощность мерзлых пород обычно не превышает 400 м, причем каверны можно соорудить на глубинах не более 200 м, чаще всего не глубже 100 м.
3
3
2
Целью предлагаемого изобретения является разработка технологии, позволяющей осуществить прием на хранение в течение, например, не более 50 часов доставленного транспортным средством (например, автометановозом в виде сжиженного природного газа (СПГ) или аэростатом) природного газа (ПГ), имеющего плотность не ниже 0.775 кг/м, в количестве, например, 500000 м, в подземный резервуар в вечной мерзлоте, хранение принятого ПГ под давлением не ниже 10 кг/см с постепенным управляемым отбором хранимого газа для подачи в местную газораспределительную сеть. Поставленная цель достигается тем, что:
- заблаговременно сооруженный подземный резервуар в мерзлоте на глубине не менее, например, 60 м, облицованный изнутри слоем льда толщиной, например, 0.1 м и охлажденный, например, принудительной вентиляцией морозным воздухом в холодный период года до естественной температуры вмещающих мерзлых пород, например, минус 3°С, оборудуют опущенными с поверхности подвесными колоннами, одна из которых заканчивается распределителем-диспергатором для подачи по нему природного газа равномерно по поверхности дна подземного резервуара, другая предназначена для вытеснения на поверхность жидкости со дна, а также опущенными в межтрубье обсадной и подвесных колонн глубинным вибратором (например, вибрационным электронасосом) и датчиком температуры;
2
- методом гидротранспорта закачивают через межтрубье обсадной и подвесных колонн в каверну подземного резервуара смесь засоленной, например, морской воды, температура замерзания которой существенно близка к средней по высоте каверны естественной температуре вмещающих мерзлых горных пород, например, минус 3°С, с мелкодробленым или гранулированным льдом, приготовленным из той же засоленной или морской воды, до заполнения смесью примерно 0.8 объема каверны, при этом в обсадной колонне создают давление газа, например, 10 кг/см и отбирают из каверны избыток засоленной воды по подвесной колонне на поверхность для повторного смешивания с дробленым льдом и закачки водоледяной смеси по межтрубью скважины в каверну;
- заполнение каверны смесью засоленной воды и приготовленного из нее льда, содержащей не менее, например, 80% по объему засоленного льда проводят заблаговременно до прибытия груза природного газа, причем для уплотнения льда в смеси ее в процессе заполнения каверны непрерывно подвергают вибрации;
- нагнетают поступивший ПГ, предпочтительно сжиженный, через подвесную колонну и распределитель на дно каверны под слой пористой водоледяной смеси, выпуская его из распределителя пузырьками размером, например, не более 0.01 м в диаметре, при этом газ подают с расходом, при котором его давление в каверне над поверхностью водоледяной смеси, соответствующее давлению гидратообразования, не повышается в процессе закачки, что свидетельствует о полном превращении подаваемого газа в объеме водоледяной смеси в кристаллогидраты природного газа, постепенно замещающие плавящийся засоленный лед вплоть до полного его плавления от тепла, выделяющегося в объеме водоледяной смеси в результате образования из пузырьков барботирующего газа на контакте их с засоленной водой кристаллов гидратов ПГ; при этом водоледяную смесь с пузырьками барботирующего через нее газа продолжают непрерывно подвергать вибрации и (по мере необходимости) продолжают подкачивать в каверну дополнительные объемы засоленной водоледяной смеси в межтрубье обсадной и подвесных колонн с одновременным отбором по подвесной колонне избытка вытесняемой засоленной воды; непрерывно контролируют упомянутым датчиком постоянство температуры заполняющей каверну водоледяной смеси, примерно равную температуре плавления засоленного льда;
- закачку ПГ прекращают при начале устойчивого повышения температуры в каверне над упомянутой постоянной температурой вмещающих мерзлых горных пород, например, при 0°С;
2
3
3
3
3
2
- после завершения закачки ПГ в каверну все закачки и отборы воды и газа из нее прекращают и хранят закачанный газ при естественной температуре вмещающих мерзлых пород и под постоянным избыточным давлением в каверне, например 10 кг/см, превышающим равновесное давление гидратообразования при этой температуре, в форме криогидратной смеси кристаллов гидратов ПГ и засоленной воды в порах между ними, при объемном содержании кристаллов гидрата природного газа, например, 90%, и соответствующей удельной плотности хранения ПГ в виде гидратов около 80 м на 1 м объема каверны (т.е. подземный резервуар объемом, например, 10000 м позволяет хранить примерно 0.8 млн.м природного газа при давлении 10 кг/см и температуре -3°С);
2
- при необходимости отбора хранимого газа снижают давление в каверне существенно ниже упомянутого равновесного давления гидратообразования, например, до 5 кг/см, путем выпуска газа в газопровод потребителя, при этом газовые гидраты в каверне разлагают на газ и воду с поглощением тепла, за счет чего вода, образующаяся от разложения гидратов, будет немедленно замерзать одновременно с замерзанием воды в порах между кристаллами гидратов, при этом с целью внесения дополнительного количества тепла и ускорения отбора газа в каверну подкачивают засоленную воду до полного отбора всего хранимого ПГ;
- после отбора газа образовавшуюся водоледяную смесь оставляют в каверне и хранят под атмосферным давлением при постоянной температуре вмещающих мерзлых пород до очередного заполнения природным газом, при необходимости регулируя количество хранимой смеси закачкой ее в каверну, либо отбором воды из каверны.
Технологическая схема, поясняющая предлагаемый способ, приведена на чертеже, на котором:
1. Вмещающий каверну массив вечномерзлых пород;
2. Подземный резервуар в мерзлых породах (ПРМП);
3. Скважина подземного резервуара;
4. Каверна (размытая водой полость) ПРМП;
5. Ледяная облицовка внутренней поверхности каверны;
6. Верхняя часть объема каверны, занимаемая природным газом;
7. Дно каверны;
8. Зацементированная обсадная колонна скважины 3;
9. Межтрубье обсадной 8 и подвесных колонн скважины 3;
10. Подвесная колонна для вытеснения воды из каверны 4 на поверхность;
11. Подвесная колонна для нагнетания природного газа (ПГ);
12 Распределитель-диспергатор ПГ на нижнем конце подвесной колонны 11;
13. Вибратор объема воды и водоледяной смеси, заполняющих каверну 4;
14 Датчик температуры воды в каверне;
15 Трубопровод для закачки водоледяной смеси через межтрубье 9 в каверну 4;
16. Водоледяная смесь, которой заполняют основной объем каверны 4, кроме ее верхней части 6;
17. Максимальный уровень воды в массе водоледяной смеси в каверне;
18. Емкость для приготовления и хранения водоледяной смеси;
19. Трубопровод для отвода вытесняемой из каверны 4 по колонне 10 воды в емкость 18;
20. Насос для закачки водоледяной смеси из емкости 18 по трубопроводу 15 в каверну 4;
21. Наземный трубопровод для закачки природного газа по колонне 11 через распределитель-диспергатор 12 на дно каверны 4;
22. Трубопровод для подачи природного газа под давлением в межтрубье обсадной и подвесных колонн 9 для обеспечения возможности вытеснения избытка воды в каверне 4 по подвесной колонне 10 в емкость 18 для смешения с дробленым льдом и повторной закачки в каверну 4. После хранения газа этот трубопровод служит для отвода природного газа, выделяющегося в каверне в результате разложения полученных гидратов обратно в сеть потребителя;
23. Подводящий газопровод для подачи газа на закачку в каверну, а после хранения для отвода газа из каверны на потребление.
24. Пункт управления вибратором 13, замера показаний датчика температуры 14 и их электропитанием.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Сооруженный в массиве мерзлых пород 1 подземный резервуар 2, состоящий из скважины 3 и каверны 4, облицованной слоем льда 5 толщиной, например, 0.1 м, оборудуют двумя подвесными колоннами 10 и 11, вибратором 13, датчиком температуры 14. Скважину 3 до кровли каверны 4 закрепляют зацементированной обсадной колонной 8. Оголовок скважины 3 герметизируют, соединяют трубопроводами 15 и 19 с емкостью 18, с газопроводом 23 для подачи природного газа в подвесную колонну 11 и в межтрубье 9. В емкости 18 смешивают мелкодробленый лед, приготовленный из засоленной, например, морской воды, температура таяния которой примерно равна средней по высоте каверны 4 температуре вмещающих вечномерзлых горных пород 1, например минус 3°C. Приготовленную водоледяную смесь, содержащую (по условиям возможности перекачки ее насосом по трубам) около 30% по объему льда, насосом 20 закачивают по межтрубью 9 в каверну 4, в которой лед всплывает в воде, а избыток воды внутренним давлением в каверне вытесняют по подвесной колонне 10 и наземному водоводу в емкость 18, где ее вновь смешивают с дробленым льдом. В процессе заполнения каверны 4 дробленым льдом непрерывно вибрируют смесь 16 воды и льда в каверне 4 вибратором 13 с целью максимального уплотнения плавающего на воде льда при сохранении смесью открытой пористости и подвижности, а также предотвращения смерзания кристаллов льда в монолит.
После заполнения каверны 4 водоледяной смесью 16, не прекращая вибрации, подают по трубопроводам 23, 21 и подвесной колонне 11 в распределитель-диспергатор 12 природный газ, предпочтительно сжиженный, на дно каверны 4, выпуская его из отверстий распределителя пузырьками размером, например, не более 0.01 м, причем расход подаваемого газа ограничивают так, чтобы весь подаваемый газ при барботаже через толщу водоледяной смеси 16 в каверне 4 полностью переходил в состояние газовых гидратов, образующихся на поверхности пузырьков газа в виде мелких кристаллов. Образование кристаллов гидрата природного газа из воды и газа сопровождается выделением примерно 500 кДж тепла на 1 кг образующихся гидратов, которое немедленно поглощается плавлением частиц льда, удерживающим температуру смеси в каверне 4 не выше температуры плавления засоленного льда, например, минус 3°C. По мере закачки газа в каверну продолжают подавать дополнительное количество водоледяной смеси насосом 20 и отбирать из каверны по колонне 10 избыток воды в емкость 18 до заполнения объема каверны 4 криогидратной смесью кристаллов природного газа (около 90% объема) и засоленной воды (примерно 10% по объему остаточной открытой пористости смеси). Непрерывная вибрация объема каверны 4 при закачке природного газа обеспечивает: (1) увеличение общей площади поверхности контакта пузырьков газа с водой за счет их дробления и предотвращения их слияния друг с другом; (2) активацию поверхности контактов за счет колебаний объема пузырьков от волн давления, вызываемых в жидкости вибрацией; (3) уплотнение криогидратного массива из отдельных кристаллов, всплывающих в воде; (4) предотвращение слипания кристаллов гидрата и образование из них монолитных блоков, лишенных открытой пористости.
2
2
2
О замещении льда в объеме каверны 4 гидратами свидетельствует начало устойчивого повышения температуры в каверне 4, фиксируемое датчиком 14, а также повышение давления газа в межтрубье 9, которое поддерживалось постоянным, равным давлению гидратообразования в каверне 4, например, 10 кг/см. После этого закачку природного газа, водоледяной смеси и отбор воды из каверны 4 и вибрацию в ней прекращают и хранят полученные в каверне 4 газовые гидраты при постоянном давлении газа в межтрубье 9 и постоянной температуре вмещающих мерзлых горных пород 1, подкачивая при необходимости в каверну 4 водоледяную смесь. Когда необходимо отобрать хранимый в виде газовых гидратов из каверны 4 природный газ, понижают давление в межтрубье 9, например с 10 кг/см до величины, например, 5 кг/см, обеспечивающей необходимый расход отбираемого природного газа, по трубопроводам 22 и 23, причем для повышения скорости разложения гидратов из наземного источника воды, например, из емкости 18 закачивают по колонне 10 на дно каверны дополнительное количество засоленной, предпочтительно морской воды.
После разложения всех гидратов в каверне 4 она в результате оказывается заполненной исходной водоледяной смесью, которую уплотняют вибрированием и хранят при постоянной температуре до очередного заполнения газовыми гидратами. Таким образом, заполнение каверны 4 водоледяной смесью необходимо только перед первым циклом получения гидратов, при дальнейших циклах эксплуатации следует только (при необходимости) подкачивать в каверну 4 дополнительное количество льда (в виде водоледяной смеси - пульпы) при заполнении каверны 4 гидратами природного газа и подкачивать дополнительное количество засоленной воды при разложении гидратов в каверне 4 при отборе хранимого в гидратном состоянии газа.
Пример осуществления способа.
3
3
3
На одном из газоконденсатных месторождений Якутии сооружен подземный резервуар вместимостью 4000 м в интервале глубин от 60 до 80 м, соединенный с поверхностью земли скважиной, закрепленной обсадной колонной диаметром 426 мм. После сооружения каверну резервуара заполнили водой и откачали воду через 40 суток, в результате чего на внутренней поверхности образовался лед толщиной 0.07 м Вмещающие породы - вечномерзлые пески и суглинки с естественной температурой на глубине 20 м минус 4.5°C, а на глубине расположения каверны подземного резервуара в среднем минус 3°C. На поверхности установили стальную емкость объемом 200 м и центробежный водяной насос производительностью 50 м/ч. В скважину смонтировали подвесные колонны диаметром 114/7 мм, на башмаке одной из которых установлен трубчатый диспергатор в виде радиальных лучей из труб, перфорированных отверстиями диаметром 5 мм по сетке 30×30 мм.
К оголовку скважины подвели газопровод с отводами в обсадную колонну и в подвесную колонну с диспергатором. В емкость опустили через герметизирующие уплотнения на кабель-тросах вибрационный электронасос типа «Малыш» и датчик температуры в каверне.
3
В морозный период в стальную емкость загружали снег с поваренной солью и циркуляционной прокачкой насосом размешивали до получения в емкости равномерной смеси засоленной 30 г/л воды с 30% снега, после чего смесь насосом закачивали по межтрубью обсадной колонны в каверну подземного резервуара. После перекачки 10 таких замесов в обсадной колонне подняли давление газом до 8 ати и начали отбирать засоленную воду со дна каверны по первой подвесной колонне на поверхность в стальную емкость, в которой продолжали готовить смесь засоленной воды со снегом, имеющей температуру таяния минус 3°C (примерно 30 г поваренной соли на 1 л воды). В процессе заполнения каверны непрерывно работал вибрационный насос, уплотняющий смесь в каверне. Постепенно каверну заполнили смесью уплотненного снега и засоленной воды на 95% объема, оставив под кровлей заполненный газом свободный объем менее 50 м.
2
2
3
3
3
3
После этого в обсадной колонне повысили давление газа до 10 кг/см и одновременно начали закачивать природный газа под давлением 12 кг/см по второй обсадной колонне в диспергатор на дно каверны под уплотненный слой пористого снега с подсоленной водой. При радиусе каверны 8 м расход подачи газа составлял 1 м/с или 3600 м/ч под давлением 12 ати, что равносильно расходу газа при нормальных условиях 43200 нм/ч. При барботаже через слой снеговодяной смеси толщиной около 17 м со дна каверны до поверхности воды весь подаваемый газ превращался в гидраты природного газа. Вибрационный насос при этом постоянно создавал в каверне вибрацию (волны давления звуковой частоты). Температура в каверне при этом оставалась постоянной минус 2°C, как только датчик температуры показывал ее повышение, возобновляли закачку снеговодяной смеси из емкости насосом через межтрубье обсадной колонны в каверну с одновременным отбором вытесняемой воды в емкость. Через 10 часов закачки газа после подачи 320 тыс мприродного газа каверна была заполнена смесью кристаллов гидратов природного газа (90% объема) и 10% засоленной воды, на которой плавали гидраты, выступая над ее поверхностью в каверне на 3 м. После этого выключили вибрационный насос, прекратили закачку газа на дно каверны и снеговодяной смеси в межтрубье обсадной колонны.
При постоянном давлении газа в обсадной колонне 10 ати и температуре в каверне минус 3°C (равной естественной температуре вмещающих мерзлых пород) полученные в каверне газовые гидраты хранили в течение 7 месяцев.
3
После этого понизили давление газа в межтрубье обсадной колонны с 10 до 4 ати, после чего выпустили в сеть потребителя примерно 300 тыс м ранее закачанного газа при подкачке насосом засоленной воды по первой подвесной колонне на дно каверны в качестве дополнительного теплоносителя, замерзание которого выделяет тепло и ускоряет разложение гидратов на газ и воду.
Полученную после отбора газа смесь кристаллов льда с засоленной водой, уплотненную вибрационным насосом, хранили в каверне при постоянной температуре минус 3°C в течение пяти месяцев, после чего начали закачивать на дно каверны природный газ, подкачивая необходимое количество снеговодяной смеси в обсадную колонну и отбирая одновременно избыток засоленной воды по подвесной колонне в емкость на поверхности для приготовления в ней засоленной снеговодяной смеси.