Способ создания и эксплуатации оперативного подземного хранилища природного газа, обогащенного гелием
METHOD OF CREATION AND OPERATION OF OPERATIONAL UNDERGROUND STORAGE OF NATURAL GAS ENRICHED BY HELIUM

Изобретение относится к области газовой промышленности и предназначено для создания и эксплуатации подземных хранилищ природного газа, обогащенного гелием (ПХПГОГ).
Предлагаемый способ хранения гелия в составе природного газа, обогащенного гелием (ПГОГ), обеспечит возможность хранения в целях оперативного его использования, когда важно получать при отборе газ с максимально возможной концентрацией гелия. Предлагаемый способ предполагает образование минимальной зоны смешения закачиваемого и пластового газов в пласте-коллекторе, что приведет к минимальной потере гелия при его отборе. Указанный эффект достигается за счет предлагаемого способа эксплуатации.
В мире существуют два подземных хранилища гелиевого концентрата: одно в искусственно созданных кавернах каменной соли и одно в пористом пласте-коллекторе.
Известен способ создания и эксплуатации подземного хранилища гелиевого концентрата (80-93% гелия) в кавернах каменной соли (Хан С.А., Игошин А.И., Казарян В.А., Скрябина А.С., Сохранский В.Б. Подземное хранение гелия. - М. - Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2015, стр. 90-108). Принципиальная возможность хранения гелия в составе гелиевого концентрата в соляных кавернах подтверждена опытом строительства и эксплуатации подземного хранилища гелиевого концентрата возле г. Оренбурга, РФ. Хранилище представляет собой шесть подземных резервуаров, созданных методом подземного растворения каменной соли через буровые скважины. Многолетние исследования подтвердили сохранность качества продукта при его контакте с каменной солью и рассолом, оставшимся после первоначального заполнения.
Недостатком данного способа, с точки зрения необходимости создания и эксплуатации оперативного подземного хранилища гелиевого концентрата, является неповсеместная распространенность подходящих для создания подземного хранилища пластов каменной соли и длительность процесса размыва каверн. Создание подземных емкостей вызывает изменение напряженного состояния пород, поэтому необходимо вести регулярный контроль процесса формообразования каверны, объем которой в течение эксплуатации уменьшается в результате ползучести каменной соли под действием горного давления. Помимо этого необходимо предусмотреть источники воды для размыва емкостей и варианты утилизации получившегося рассола.
Известен способ создания и эксплуатации подземного хранилища гелиевого концентрата (70% гелия) в разрабатываемом месторождении природного газа (Хан С.А., Игошин А.И., Казарян В.А., Скрябина А.С., Сохранский В.Б. Подземное хранение гелия. - М. - Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2015, стр. 90-108). В США, близ г. Амарилло, штат Техас, функционирует подземное хранилище гелиевого концентрата на базе истощенного месторождения природного гелиеносного газа Клиффсайд (в начальном составе пластового газа порядка 1,8% гелия). Подземное хранилище создавалось путем одновременного отбора пластового газа и закачки гелиевого концентрата. При этом скважины, закачивающие гелий, располагались в куполе пласта-коллектора, а скважины, отбирающие природный газ, располагались на некотором расстоянии от нагнетательных скважин.
Недостатком описанного способа, с точки зрения необходимости создания и эксплуатации оперативного подземного хранилища гелиевого концентрата, является совмещение во времени процессов создания подземного хранилища и разработки месторождения. Это приводит к формированию поля давления, способствующего продвижению гелия к скважинам, добывающим пластовый газ. В конечном счете, это приводит к частичным потерям гелия и к удорожанию извлечения гелия из-за снижения его содержания в добываемом на хранилище газе. За первые четыре года работы хранилища были зафиксированы прорывы гелия к пяти добывающим скважинам. Позже было установлено, что прорывы происходили по высокопроницаемым трещинам, по которым образовывались узкие рукава растекания гелия.
Задачей заявленного способа является создание такого подземного хранилища природного газа, обогащенного гелием, на базе месторождения газа (углеводородного или неуглеводородного), которое при эксплуатации позволит исключить геологические потери.
Технический результат, на получение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении качества хранимого природного газа, обогащенного гелием. Другими словами, заявленный способ даст возможность отбирать природный газ, обогащенный гелием, с достаточно высокой концентрацией гелия, что позволит осуществить оперативный отбор и подготовку товарного гелия при минимизации затрат.
Данный технический результат достигается за счет создания и эксплуатации оперативного подземного хранилища природного газа, обогащенного гелием, включающего выбор пласта-коллектора антиклинальной структуры с герметичной покрышкой по гелию, сооружение в купольной части упомянутой структуры эксплуатационных скважин, циклическую закачку в хранилище и отбор из него активного объема природного газа обогащенного гелием (ПГОГ) с сохранением буферного объема пластового углеводородного или неуглеводородного газа, отличающийся тем, что в процессе эксплуатации подземного хранилища природного газа обогащенного гелием (ПХПГОГ) поддерживают расчетное соотношение активного объема ПГОГ и буферного объема углеводородного или неуглеводородного газа, сооружают нагнетательные скважины в застойных зонах давления, находящихся на заранее рассчитанном расстоянии от границы влияния эксплуатационных скважин, на первом этапе через эксплуатационные скважины осуществляют отбор пластового углеводородного или неуглеводородного газа из пласта-коллектора в объеме, равном активному объему в пластовых условиях, создавая зону пониженного давления в области эксплуатационных скважин, затем в эксплуатационные скважины закачивают активный объем ПГОГ до расчетного давления, ниже начального пластового, после чего выдерживают нейтральный период, во время которого ведут мониторинг концентрации гелия в зонах размещения эксплуатационных и нагнетательных скважин, в случае активной миграции гелия в пласте выполняют подкачку углеводородного или неуглеводородного газа через нагнетательные скважины, затем ведут отбор ПГОГ до снижения концентрации гелия в добываемом ПГОГ до установленного минимального значения, после чего выдерживают нейтральный период, в течение которого осуществляют мониторинг давления, затем ведут закачку ПГОГ через эксплуатационные скважины в необходимых объемах, при этом на контрольных горизонтах, лежащих выше пласта-коллектора, сооружают сеть контрольных скважин.
Поставленная техническая задача решается за счет того, что в процессе эксплуатации ПХПГОГ происходит создание активного объема хранимого природного газа, обогащенного гелием, путем закачки природного газа, обогащенного гелием, в купольную часть пласта-коллектора антиклинального типа, обладающего покрышкой, герметичной по гелию. Отбор природного газа, обогащенного гелием, ведется до снижения концентрации гелия в нем до установленного минимального значения.
Создание ПХПГОГ накладывает жесткие требования на герметичность эксплуатационных скважин, которые призваны обеспечить устранение или сведение к минимальным значениям потерь природного газа, обогащенного гелием, при эксплуатации ПХПГОГ.
Для обеспечения герметичности скважин требуется установка заколонных пакеров, предпочтительно в области непроницаемых и устойчивых горных пород, и, так называемых, «жидких пакеров».
Выбор материала обсадных труб должен проводиться в соответствии с литолого-стратиграфическими особенностями разреза. Наиболее важным параметром обсадных труб при строительстве эксплуатационных скважин ПХПГОГ является герметичность, поэтому рекомендуется выбирать обсадные трубы с высокогерметичными резьбовыми соединениями с узлом уплотнения «металл-металл».
При строительстве скважин необходимо учитывать горно-геологические особенности местности, выбранной для создания ПХПГОГ. В процессе бурения необходим отбор керна с последующим изучением для уточнения изолирующих свойств покрышки.
В качестве контрольных горизонтов рекомендуется выбирать вышележащие горизонты, т.к. гелий легче всех газов, кроме водорода. Размещать контрольные скважины целесообразно в купольной части контрольного горизонта.
При необходимости выполняются геолого-технические мероприятия по улучшению фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС) в прискваженной зоне для увеличения продуктивности эксплуатационных скважин.
На фиг. 1 представлен график зависимости коэффициента динамической вязкости от давления при температуре 26°С для различных газов.
На фиг. 2 представлен график распределения концентрации гелия по пласту для объекта А (с горизонтальным расположением крыльев пласта), где С - концентрация гелия, х - расстояние, пройденное фронтом гелия с момента закачки.
На фиг. 3 представлен график распределения концентрации гелия по пласту для объекта В (с горизонтальным расположением крыльев пласта).
На фиг. 4 представлен график распределения концентрации гелия по пласту для объекта С (с горизонтальным расположением крыльев пласта).
На фиг. 5 представлен график распределения концентрации гелия по пласту для объекта А (с наклоном крыльев пласта 5 градусов).
На фиг. 6 представлен график распределения концентрации гелия по пласту для объекта В (с наклоном крыльев пласта 5 градусов).
На фиг. 7 представлен график распределения концентрации гелия по пласту для объекта С (с наклоном крыльев пласта 5 градусов).
На фиг. 8 представлена схема эксплуатации ПХПГОГ по заявленному способу на первом этапе.
На фиг. 9 представлена схема эксплуатации ПХПГОГ по заявленному способу на втором этапе.
На фиг. 10 представлена схема эксплуатации ПХПГОГ по заявленному способу на третьем этапе.
На фиг. 11 представлена схема эксплуатации ПХПГОГ по заявленному способу на четвертом этапе.
Рассмотрим реализацию заявленного способа.
Рассмотрим создание ПХПГОГ на примере месторождения природного газа.
3
Гелий - инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Гелий является вторым по легкости, после водорода, веществом. В нормальных условиях плотность гелия составляет 0,17847 кг/м. Гелий обладает самой низкой температурой кипения среди всех известных веществ, которая составляет 4,215 К. Гелий наименее растворимый в воде известный газ.
Из графика зависимости коэффициента динамической вязкости от давления при температуре 26°С видно, что гелий обладает большей вязкостью, чем метан (фиг. 1).
На основании уравнений неразрывности для газообразной смеси из двух компонентов, была смоделирована закачка гелия в пласт-коллектор. При моделировании учитывалось действие силы тяжести и наклон пласта-коллектора.
Фильтрация смеси двух газов в одномерном случае с учетом силы тяжести описывается следующей системой уравнений (см. Басниев К.С., Дмитриев Н.М., Максимов В.М. Подземная гидромеханика. - М. - Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2006. - 484 с):
где
х - координата, м;
t - время, с;
р=р(х, t) - давление в пласте, МПа;
с=c(x,t) - концентрация газа гелия в пласте, соответственно (1-с) - концентрация природного газа в пласте, д.ед.;
1
3
ρ=ρ(р) - плотность гелия, кг/м;
2
3
ρ=ρ(р) - плотность природного газа, кг/м;
1
μ=μ(p) - вязкость гелия, мПа*с;
2
μ=μ(p) - вязкость природного газа, мПа*с;
m - пористость паста, д.ед.;
2
k - коэффициент проницаемости пласта, м;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
α - угол наклона пласта к горизонтали, градусы.
Влияние диффузии на процесс фильтрации пренебрежимо мало, т.к. диффузия по сравнению с фильтрацией характеризуется значительно меньшей скоростью.
Полученная задача решается численно конечно-разностным методом. На каждом временном слое сначала находится давление, которое затем используется для нахождения концентрации, после чего осуществляется переход к следующему временному слою.
Пример реализации способа
Для примера были выбраны модельные геологические объекты А, В и С с начальными термобарическими параметрами пласта, соответствующими начальным термобарическим параметрам третьего продуктивного пласта Адниканского газового месторождения (начальное пластовое давление 11 МПа, начальная пластовая температура 26°С), которое может рассматриваться как кандидат для создания оперативного ПХПГОГ, и следующими фильтрационно-емкостными свойствами пласта: пористость 0,24 д.ед. на объекте А, 0,36 д.ед. на объекте В, 0,24 д.ед. на объекте С, проницаемость 343 мД на объекте А, проницаемость 343 мД на объекте В, проницаемость 150 мД на объекте С. Причем ФЕС объекта А соответствуют ФЕС третьего пласта Адниканского газового месторождения.
Было смоделировано несколько вариантов закачки гелия с последующим его отбором на объектах подземного хранения А, В и С с горизонтальным (фиг. 2-4) и наклонным (фиг. 5-7) расположением крыльев пласта.
На фиг. 2-4 видно, что зона градиента концентрации гелия при горизонтальном расположении крыльев пласта-коллектора составляет порядка 30 метров, в то время как фронт распространения гелия меняется в зависимости от соотношения фильтрационно-емкостных свойств. Фронт распространения уменьшается при повышении пористости и при снижении проницаемости.
На фиг. 5-7 видно, что зона градиента концентрации гелия при наклонном (5°) расположении крыльев пласта-коллектора составляет порядка 35 метров. При сопоставлении фиг. 2-4 и 5-7 видно, что фронт распространения гелия практически не меняется, и значение его зависит от фильтрационно-емкостных свойств пласта-коллектора аналогичным образом. Таким образом, зона градиента концентрации в случае закачки гелия в горизонтальный пласт больше, чем при закачке в наклонный, что обусловливает выбор структуры для создания ПХПГОГ.
Реализация на практике заявленного способа представлена со ссылками на фиг. графических изображений. При этом использованы следующие позиционные обозначения:
1 - нагнетательные скважины;
2 - эксплуатационные скважины;
3 - вода;
4 - газонасыщенная (метан) область пласта-коллектора;
5 - область распространения гелия;
6 - депрессионная воронка;
7 - контрольные скважины.
Для реализации на практике заявленного способа необходимо выполнить следующее. На первом этапе требуется выбрать месторождение газа (углеводородного или неуглеводородного) со структурой антиклинального типа и с перекрывающей его покрышкой, непроницаемой по гелию. Опираясь на значение активного объема (объем природного газа, обогащенного гелием, для закачки), выполнить пересчет объема на пластовые условия и осуществить отбор пластового углеводородного или неуглеводородного газа в определенном объеме через эксплуатационные скважины 2. При этом число скважин 2 определяется, исходя из ФЕС пласта-коллектора и предполагаемых объемов хранения природного газа, обогащенного гелием. Интервал и параметры заканчивания эксплуатационных скважин 2 выбираются в зависимости от геологических особенностей пласта-коллектора и его ФЕС. Размещение эксплуатационных скважин 2 приурочено к купольному поднятию структуры, т.е. к зонам с повышенной газонасыщенностью и удаленным от ГВК, чтобы предотвратить их преждевременное обводнение. При отборе пластового углеводородного или неуглеводородного газа в зоне каждой скважины (или группы скважин) формируется область пониженного давления 6 (фиг. 8). На втором этапе, после окончания отбора пластового углеводородного или неуглеводородного газа, скважины 2 переводятся под нагнетание природного газа, обогащенного гелием (фиг. 9). Закачка ведется до неполной компенсации депрессионной воронки 6 в области скважин 2, либо до обнаружения критических концентраций гелия в зоне нагнетательных скважин 1. Неполное восстановление пластового давления в зоне эксплуатационных скважин позволит сохранить направление фильтрации пластового углеводородного или неуглеводородного газа, снизив ее скорость за счет снижения созданного перепада давления, пластовый углеводородный или неуглеводородный газ будет ограничивать область распространения гелия в составе природного газа, обогащенного гелием, за счет стягивания к забоям скважин в результате фильтрации, это позволит снизить смешение пластового углеводородного или неуглеводородного газа и природного газа, обогащенного гелием, а, следовательно, и зону градиента концентрации гелия. В случае обнаружения критических концентраций гелия в зоне нагнетательных скважин 1, либо после закачки природного газа, обогащенного гелием, в запланированном объеме закачка приостанавливается и в скважины 1 осуществляется подкачка углеводородного или неуглеводородного газа для оттеснения мигрирующего гелия в составе природного газа, обогащенного гелием, и создания замка противодавления для препятствования его дальнейшему возможному растеканию. Нагнетательные скважины 1 размещают в областях пласта с низкой динамикой пластового давления в течение всей работы ПХПГОГ, на предварительно определенном расстоянии от границы области влияния эксплуатационных скважин 2. Размер области влияния зависит от геологических условий и режимов работы скважин. Такое размещение необходимо, чтобы предотвратить дополнительное увеличение зоны градиента концентрации гелия на периферии фронта распространения гелия. Это может произойти из-за влияния созданной области пониженного давления в зоне скважин 2 на углеводородный или неуглеводородный газ, закачанный в скважины 1. Число скважин 1 зависит от размеров структуры и предполагаемых объемов хранения. На третьем этапе, после подкачки выдерживается нейтральный период, длительность которого зависит от рыночного спроса на гелий (фиг. 10). При обнаружении обширного распространения гелия в составе природного газа, обогащенного гелием, по пласту выполняется подкачка углеводородного или неуглеводородного газа через нагнетательные скважины для оттеснения гелия в составе природного газа, обогащенного гелием. На четвертом этапе, по завершении нейтрального периода, начинается отбор природного газа, обогащенного гелием, через эксплуатационные скважины 2 (фиг. 11). В штатном режиме отбор ведется до снижения концентрации гелия в природном газе, обогащенном гелием, отбираемом через эксплуатационные скважины 2 до установленного минимального значения. Затем выдерживается минимальный нейтральный период, за который произойдет частичное выравнивание поля пластового давления из-за перераспределения в пласте углеводородного или неуглеводородного и природного газа, обогащенного гелием, за счет гравитационного разделения. Это приведет к уменьшению зоны градиента концентрации гелия по мощности пласта-коллектора. Затем необходимо произвести закачку природного газа, обогащенного гелием, через эксплуатационные скважины 2 для уменьшения зоны продвижения по пласту углеводородного или неуглеводородного газа. Контрольные скважины 7, необходимые для скорейшего обнаружения нежелательной миграции газов из пласта-коллектора, следует размещать в области гипсометрических поднятий контрольных горизонтов (фиг. 12). В течение всего процесса создания и эксплуатации ПХПГОГ по данным наблюдений динамики пластового давления в зоне нагнетательных скважин 1 и контрольных скважин ведется мониторинг распространения гелия. В случае непревышения критических концентраций гелия в зоне нагнетательных скважин 1 и при необходимости создания оперативного резерва гелия закачка природного газа, обогащенного гелием, осуществляются по вышеприведенному алгоритму.
Таким образом, по предлагаемому способу создание ПХПГОГ выполняется в сравнительно короткие сроки и не предполагает в процессе создания ПХПГОГ образования побочных продуктов, требующих утилизации (утилизация рассола при размыве каверн). Эксплуатация ПХПГОГ по предлагаемому способу позволяет осуществлять оперативное хранение гелия в составе ПГОГ, обеспечивая его минимальное смешение в пласте-коллекторе с углеводородным или неуглеводородным газом, и отбор ПГОГ со сравнительно высокой концентрацией гелия, что способствует снижению затрат на выделение чистого гелия.