УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ДОБЫЧИ ПРИРОДНОГО ГАЗА ИЗ ГАЗОВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
DEVICE AND METHOD FOR COMPENSATION OF NATURAL GAS PRODUCTION FROM GAS FIELD

Изобретение относится к устройству для компенсации добычи природного газа из газового месторождения, содержащему один или более подающих каналов, выполненных с возможностью подачи компенсационного газа в месторождение природного газа.
Природный газ является важным источником энергоресурсов. Природный газ в основном добывают из газовых месторождений. Газовое месторождение (называемое также залежью газа) обычно располагается относительно глубоко в земле, например, на глубине 1 км и более. Газовое месторождение залегает, в частности, в одном или большем количестве подземных слоев (песчаника), обычно замурованное под газонепроницаемым подземным слоем.
Основной составляющей такого газового месторождения или залежи газа является метан (например, по меньшей мере около 80%). Кроме того, газовое месторождение может содержать другие углеводороды и инертные газы, такие как азот, аргон и двуокись углерода. Для добычи природного газа, как правило, бурят ряд скважин. Таким образом, природный газ, обычно находящийся под избыточным давлением, может быть извлечен из месторождения.
Выяснилось, что добыча природного газа может приводить к проблемам, в частности, к возникновению локальных сотрясений или землетрясений и связанному с ними ущербу для окружающей местности. Было обнаружено, что возможной причиной таких сотрясений или землетрясений является снижение давление в залежи газа, которое сопровождает добычу газа, что может вызвать внезапные относительные сдвиги разломов. Было предложено решать данную проблему посредством закачивания азота в газовое месторождение для компенсации природного газа, извлекаемого из месторождения, в частности, для поддержания давления в залежи газа на конкретном начальном уровне. Существенным недостатком этого решения является его относительно высокая стоимость.
Настоящее изобретение предусматривает устранение или по меньшей мере частичное решение указанных проблем. В частности, изобретение предусматривает усовершенствование добычи природного газа, в результате чего можно эффективно и экономично предотвратить ущерб для окружающей местности. Кроме того, изобретение предполагает усовершенствование энергоснабжения.
В этой связи, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается устройство, характеризующееся признаками, представленными в пункте 1 формулы изобретения.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство для компенсации добычи природного газа из газового месторождения, в частности, для предотвращения проседания пластов, расположенных над месторождением природного газа, и/или землетрясений, содержит:
- один или более подающих каналов, выполненных с возможностью подачи одного или более компенсационных газов в месторождение природного газа; и
- по меньшей мере первый источник газа, выполненный с возможностью присоединения к указанным одному или более подающим каналам, содержащим неинертный газ.
Таким образом, особенно эффективная компенсация добычи газа может быть достигнута (в частности для предотвращения снижения давления в залежи газа, вызванного добычей газа) просто посредством подачи неинертного газа. В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления изобретения неинертный газ состоит из воздуха. Воздух может быть, например, окружающим или атмосферным воздухом.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения устройство выполнено с возможностью введения в газовое месторождение за единицу времени определенного количества неинертного газа, которое равно или больше, чем количество природного газа, извлекаемого из газового месторождения за эту единицу времени.
Таким образом, может быть обеспечена полная компенсация. Более того, при подаче большего количества компенсационного газа в месторождение природного газа давление в газовом месторождении может быть повышено. Дополнительным преимуществом является возможность использования таким образом газового месторождения в качестве накопителя энергии. В этом случае газ, находящийся в газовом месторождении, может функционировать, в частности, как объемная среда накопления энергии для хранения в ней (потенциальной) энергии, причем хранящаяся энергия эквивалентна повышению давления в газовом месторождении. Энергия может быть просто извлечена из среды накопления энергии посредством выпуска газа (т.е. посредством преобразования потенциальной энергии в кинетическую).
В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления изобретения устройство выполнено с возможностью добавления инертного газа в качестве разделительного слоя между природным газом, находящимся в газовом месторождении, и неинертным газом.
Таким образом, можно предотвратить нежелательную химическую реакцию между неинертным газом и природным газом.
В предпочтительном варианте устройство дополнительно содержит по меньшей мере второй источник газа, выполненный с возможностью присоединения к подающим каналам, содержащий инертный газ. Инертным газом может быть, например, азот, топочный газ, бескислородный газ или, например, смесь таких газов.
Предложенное устройство может содержать один или более подающих каналов, проходящих от уровня поверхности земли до дна или/и в дно залежи природного газа. Кроме того, к указанным одному или более подающим каналам на уровне поверхности земли могут быть присоединены компрессоры сжатого атмосферного воздуха и фитинги для нагнетания по этим каналам большого количества сжатого атмосферного воздуха. Кроме того, устройство может содержать сложную систему трубопроводов, соединенную с этим подающим каналом или этими подающими каналами и проходящую предпочтительно по всему дну, причем система содержит миллиарды максимально распределенных маленьких выходных отверстий, обеспечивающих как можно более равномерное поступление подаваемого сжатого атмосферного воздуха по всему дну залежи природного газа.
В соответствии с предпочтительным вариантом указанные один или более подающих каналов выполнены с возможностью подачи компенсационного газа в месторождение на вертикальном уровне вблизи дна газового месторождения. Таким образом, компенсационный газ может вытеснять природный газ вблизи или со дна залежи газа.
В соответствии с предпочтительным вариантом указанные один или более подающих каналов выполнены с возможностью подачи газа в месторождение на вертикальном уровне выше дна газового месторождения. В предпочтительном варианте осуществления изобретения компенсационный газ может вытеснять природный газ на относительно большом вертикальном расстоянии, например, если смотреть сбоку со стороны подающего канала. В этой связи, канал может быть, например, выполнен (к примеру, при помощи ряда выпускных отверстий) с возможностью введения газа в газовое месторождение на разных вертикальных отметках.
3
3
В предпочтительном варианте осуществления изобретения подающий канал выполнен с возможностью дозированной подачи газа в месторождение в зависимости от места введения, между тем, как конкретная доза для отдельной отметки установлена или может быть установлена. Таким образом, канал может быть выполнен, например, с возможностью подачи в первом (например, относительно низком) месте введения первого объема/потока газа (м/с), а на втором месте введения (например, месте введения, расположенном выше первого места введения) второго объема/потока газа (м/с). Второй объем/поток газа отличается от первого объема газа (например, меньше, чем первый) для получения разной дозировки.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения газовое месторождение пронизано указанными одним или более подающими каналами, причем во время операции закачивания газа компенсационный газ вводят в газовое месторождение через один или более подающих каналов таким образом, что компенсационный газ достигает и нижележащего слоя (дно газового месторождения), и вышележащего слоя (вершина газового месторождения), и, в частности, таким образом, что компенсационный газ образует барьер между наружной стороной каждого из указанных одного или более подающих каналов и природным газом, находящимся в газовом месторождении.
Термин "источник газа" следует понимать в широком смысле. Таким образом, упомянутый первый источник газа может, например, содержать один или более компрессоров, к примеру, воздушных компрессоров, в частности, выполненных с возможностью нагнетания неинертного газа по указанным одному или более подающим каналам.
Аналогичным образом, второй источник газа может, например, содержать один или более компрессоров, в частности, выполненных с возможностью нагнетания инертного газа по одному или более подающим каналам. Более того, второй источник газа может содержать один или более резервуаров для хранения этого инертного газа, средства производства для получения такого инертного газа и т.п.
Указанные один или более компрессоров могут вырабатывать значительное количество тепла во время работы. В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство содержит по меньшей мере тепловой резервуар для хранения тепла, вырабатываемого при использовании указанных одного или более компрессоров.
В дополнительном предпочтительном аспекте устройство содержит средство для хранения энергии в газовом месторождении в виде повышения давления, например, повышения давления сжатого воздуха. Для использования энергии, хранящейся в месторождении, устройство может дополнительно содержать по меньшей мере электрогенератор, выполненный с возможностью приведения в действие энергией, хранящейся в газовом месторождении. В данном случае возможно, что приведение в действие сопровождается декомпрессией газа, выпускаемого из газового месторождения. Такая декомпрессия обычно приводит к потере тепла, более конкретно, к охлаждению. В таком случае особенно предпочтительно, если устройство выполнено с возможностью по меньшей мере частичной компенсации охлаждения, вызванного декомпрессией, за счет тепла из теплового резервуара. Таким образом, может быть получен особенно экологически безвредный и эффективный тепловой аккумулятор.
Кроме того, предлагается способ компенсации добычи природного газа из газового месторождения, в частности, для предотвращения проседания пластов, расположенных над месторождением природного газа, включающий:
- подачу неинертного компенсационного газа (например, воздуха) в месторождение природного газа.
Таким образом, могут быть обеспечены вышеописанные преимущества.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения перед подачей неинертного компенсационного газа в месторождение в него подают инертный компенсационный газ, в частности, таким образом, что инертный компенсационный газ образует разделительный слой между природным газом и неинертным газом. Кроме того, предпочтительно, в частности, в случае залежей газа, являющихся относительно тонкими (например, имеющих вертикальный размер около 100 м) по отношению к горизонтальным размерам (например, более 1 км), чтобы компенсационный газ полностью заполнял часть месторождения, расположенную между дном газового месторождения и вершиной газового месторождения. Таким образом, можно эффективно предотвратить снижение давления в газовом месторождении, и, в частности, могут быть использованы разные компенсационные газы (например, сначала инертный газ в качестве концентрического наружного буфера и затем неинертный газ в качестве концентрического внутреннего слоя). В данном случае, компенсационные газы могут образовывать одну или более вертикальных колонн в месторождении природного газа, по меньшей мере (концентрически) окружая соответствующие подающие каналы 1. Высота такой колонны может составлять, например, более 10 м, в частности более 50 м, в зависимости от локальной высоты газового месторождения (т.е. расстояния между дном и вершиной газового месторождения в месте введения компенсационного газа в газовое месторождение или рядом с ним).
Применение инновационного способа включает способ хранения энергии, в соответствии с которым газ подают в подземное газовое месторождение, например, месторождение природного газа. Таким образом, обычное объемное подземное газовое месторождение может быть задействовано в качестве накопителя энергии.
Объем такого газового месторождения может составлять, например, по меньшей мере 0,1 км × 1 км × 1 км. Используемый в данном способе газ может, например, содержать воздух, азот, топочный газ, отработанный газ или смесь этих или других газов.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения способ включает сжатие газа, причем при сжатии выделяется тепло (например, отводится из газа), и таким образом выделенное тепло по меньшей мере частично хранят в тепловом резервуаре.
Один аспект настоящего изобретения представляет способ производства электроэнергии, например, в сочетании с вышеописанным способом, включающий выпуск сжатого газа, например, сжатого воздуха, из подземного газового месторождения, к примеру, месторождения природного газа, для приведения в действие генератора.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения может быть выполнена декомпрессия газа, причем охлаждение, сопровождающее эту декомпрессию, по меньшей мере частично может быть компенсировано за счет тепла из теплового резервуара.
Как следует из вышеизложенного, один аспект изобретения включает способ введения атмосферного воздуха в месторождения природного газа, при необходимости с добавлением газообразного азота.
В данном случае возможно добавление газообразного азота в виде разделительного слоя между природным газом и атмосферным воздухом в целях предотвращения опасности взрыва.
Пресная вода удерживается на поверхности соленой воды, потому что удельный вес пресной воды примерно на 2,5% меньше удельного веса соленой воды. Дизельное топливо удерживается на поверхности воды, потому что удельный вес дизельного топлива примерно на 15,8% меньше удельного веса воды. Природный газ удерживается на поверхности атмосферного воздуха, потому что удельный вес природного газа примерно на 35,4% меньше удельного веса атмосферного воздуха. Следовательно, в соответствии с одним аспектом изобретения природный газ может быть вытеснен вверх из залежи природного газа посредством введения атмосферного воздуха, величина давления которого практически равна величине давления газа, находящегося в залежи природного газа, на и/или в дне залежи природного газа и одновременно из самой высокой точки или точек залежи природного газа, и соответствующее равное количество природного газа может быть извлечено из данной залежи природного газа, не приводя к изменению состояния залежи природного газа и месторождения природного газа или состояния окружающей местности и грунтового массива, расположенного над газовым месторождением. Таким образом, можно полностью исключить или значительно снизить вероятность проседания земли или землетрясений, к которым в настоящее время приводит добыча природного газа.
Состояние, в котором часть пресных подземных вод находится на поверхности соленых подземных вод, представляет собой явление, которое является повсеместным и общеизвестным. Когда поток подземных вод не слишком сильный, данное состояние может быть расценено как достаточно стабильное состояние, при котором смешивание пресной воды и соленой воды происходит лишь в определенных пределах, если вообще происходит. Когда, например, в стакан, наполненный водой на одну треть, добавляют такое же количество окрашенного дизельного масла, это дизельное масло практически немедленно начинает плавать на поверхности воды, и граница между водой и маслом видна очень четко. Более того, в этом состоянии стакан с таким содержимым можно довольно сильно встряхивать, не вызывая смешивания масла и воды. Причиной этого убедительного результата является относительно большая разница между удельным весом воды и масла. По сравнению с двумя вышеприведенными примерами разность масс между атмосферным воздухом и природным газом намного больше, и, следовательно, можно предполагать, что при максимально равномерном поступлении сжатого атмосферного воздуха снизу из широко разветвленной системы трубопроводов, находящейся в и/или на дне залежи природного газа, через бесчисленное количество маленьких отверстий порядка миллиардов объем приточного атмосферного воздуха изначально распределяется по всему дну залежи природного газа с очень низким расходом и затем выступает в качестве своего рода подушки под объемом природного газа. Кроме того, вследствие вышеупомянутой большой разности масс в результате действия гравитации разделяющая поверхность между объемом атмосферного воздуха и объемом природного газа выражается в виде по существу горизонтальной поверхности. За счет пополнения объема атмосферного воздуха снизу любое влияние границы раздела между атмосферным воздухом и природным газом в виде вихревой воронки вряд ли произойдет. Также для предотвращения явления вихревой воронки температура и влажность атмосферного воздуха должны быть такими же, как температура и влажность природного газа.
Как следует из вышеописанного, введение неинертного газа, например, воздуха, также может быть осуществлено альтернативным предпочтительным способом. В этом случае в месторождении природного газа может быть выполнена одна или более вертикальных колонн или вертикальных оболочек одного или более компенсационных газов, например, кольцевой наружный барьер инертного газа и расположенный внутри этого барьера объем неинертного газа.
Обеспечивая поступление объема, например, сжатого атмосферного воздуха в единицу времени, точно или практически точно равное выпуску объема природного газа, и обеспечивая давление сжатого атмосферного воздуха, точно или практически точно равное давлению природного газа, расположенного в залежи природного газа, можно поддерживать состояние равновесия в данном грунте с тем, чтобы не допустить или снизить вероятность проседания вышележащих слоев и предотвратить или по меньшей мере снизить количество возникновений землетрясений, часто случающихся в настоящее время. В случае состояния, когда природный газ уже извлечен из газового месторождения в течение некоторого периода времени, введение пропорционально большего объема атмосферного воздуха (или другого неинертного газа) относительно объема одновременно извлекаемого из этого газового месторождения может приводить к определенному восстановлению объема просевшего грунта, расположенного над газовым месторождением, таким образом, что проседание поверхности земли может быть компенсировано за счет поднятия грунта, и количество землетрясений может быть стабилизировано или снижено.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, благодаря началу закачивания газового месторождения газообразным азотом со дна залежи природного газа и в силу того, что удельный вес газообразного азота практически равен удельному весу атмосферного воздуха, практически весь природный газ будет вытеснен вверх от нижележащего пласта и дна залежи природного газа, и аналогичным образом будет образована практически горизонтальная разделительная поверхность между природным газом и газообразным азотом. В данном случае, в результате большой разницы в удельном весе смешивание двух газов практически невозможно. Здесь отсутствует риск образования взрывоопасной смеси.
После того, как газовое месторождение посредством закачивания заполнено инертным газом (например, газообразным азотом) на некоторую часть, например, на 10%, а предпочтительно на меньшую часть, можно переключаться на закачивание неинертного газа (например, атмосферного воздуха) при помощи той же трубопроводной инфраструктуры.
3
3
Удельный вес атмосферного воздуха примерно равен 1,29 кг/м, а удельный вес газообразного азота - 1,26 кг/м. Соотношение значений удельного веса этих двух газов вполне сопоставимо с соотношением значений удельного веса соленой и пресной воды. В вышеописанном состоянии поведение данного сочетания газов и поведение данного сочетания жидкостей, касающееся образования и поддержания поверхности контакта между этими газами в сочетании газов и между этими жидкостями в сочетании жидкостей, по существу идентично, и аналогичным образом смешивание этих двух газов вряд ли произойдет.
Таким образом, может быть получено хранилище, в котором могут находиться переменные объемы природного газа и компенсационного газа (например, атмосферного воздуха). При этом, с другой стороны, как можно больше природного газа может быть выкачано из залежи природного газа, а эта залежь посредством закачивания, например, привезенного природного газа в верхней части залежи может также служить в качестве хранилища этого природного газа переменного объема. В то же время объем компенсационного газа может служить для накопления энергии в виде повышенного давления компенсационного газа, например, повышенного давления сжатого воздуха, посредством закачивания большего количества сжатого воздуха в объем атмосферного воздуха (при использовании воздуха в качестве компенсационного газа). Вследствие огромного объема залежи природного газа повышение давления компенсационного газа всего на несколько бар уже представляет собой огромный накопитель энергии.
Далее приведено более подробное описание изобретения на основании иллюстративных вариантов осуществления изобретения и сопроводительных чертежей. На чертеже:
Фиг. 1 схематически изображает вертикальный разрез газового месторождения с иллюстративным вариантом осуществления предложенного устройства во время подачи первого компенсационного газа;
Фиг. 2 изображает чертеж, аналогичный чертежу на фиг. 1, с устройством во время подачи второго компенсационного газа; и
Фиг. 3 изображает диаграмму использования предложенного устройства для хранения энергии.
В настоящей заявке одинаковые или соответствующие элементы имеют одинаковые или соответствующие ссылочные позиции.
На фиг. 1-3 схематически изображен неограничительный пример устройства для компенсации добычи природного газа g из газового месторождения G (часть которого представлена), в частности, для предотвращения проседания слоев S2, расположенных над газовым месторождением.
В этом примере подземное газовое месторождение G, которое по существу известно, образовано содержащим природный газ слоем (например, песчаником), расположенным между одним или большим количеством вышележащих слоев S2 и нижележащим слоем S1. Вершина содержащего природный газ слоя G обозначена буквой Т, а дно содержащего природный газ слоя G обозначено буквой В. Очевидно, что такой слой может быть образован по-разному, проходить в разных направлениях и иметь разную ориентацию. Такой слой может быть расположен на относительно большой глубине X1 ниже уровня Н поверхности земли, например, на глубине X1, равной 1 км и более. Показанный слой является относительно тонким и имеет значительно меньшую толщину по сравнению с глубиной Х2 (например, толщину менее 200 м, в частности, приблизительно 100 м или меньше).
С целью разработки месторождения выполнен один или более выпускных каналов 3, которые по существу известны, содержащих одно или более выпускных отверстий 4, для выпуска природного газа g из газового месторождения G. Как известно, такие каналы 3 выполняют посредством бурения скважин. Может быть предусмотрено средство 8 измерения, например, паромер, для измерения газового потока (расхода) выпускаемого природного газа g.
Как показано на фиг. 1, устройство содержит один или более подающих каналов 1 (в данном случае только один), выполненных с возможностью подачи компенсационного газа в газовое месторождение G, в частности, для компенсации снижения давления в месторождении. В данном примере такие подающие каналы 1 расположены, в частности, на расстоянии от указанных одного или более выпускных каналов 3. В альтернативном варианте осуществления изобретения один или более выпускных каналов 3 могут быть использованы или реверсированы для подачи компенсационного газа в газовое месторождение G вместо выпуска газа (в этом случае канал может выполнять двойную функцию).
Кроме того, устройство содержит первый источник 11 газа, выполненный с возможностью присоединения к подающему каналу 1 и содержащий неинертный газ F, и второй источник 12 газа, выполненный с возможностью присоединения к подающему каналу 11 и содержащий инертный газ N.
Как было упомянуто выше, могут быть выбраны различные компенсационные газы.
Первый компенсационный газ N, подаваемый первым источником 11 газа, может содержать или полностью состоять, например, из азота, двуокиси углерода, топочного газа и т.п.
В дополнительном предпочтительном, в частности, экономически выгодном варианте осуществления изобретения второй (неинертный) газ содержит воздух. Этот газ F может, например, полностью состоять из окружающего воздуха (атмосферного воздуха).
В альтернативном варианте осуществления изобретения данный газ может содержать, например, топочный газ или смесь воздуха с инертным газом (например, топочным газом) и/или с другим (инертным или неинертным) газом, отработанным газом или газами.
Настоящее устройство выполнено с возможностью введения в газовое месторождение G за единицу времени определенного количества неинертного газа F, которое равно или больше, чем количество природного газа, извлекаемого из газового месторождения G в эту единицу времени. Таким образом, можно эффективно предотвратить проседание. В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство содержит регулирующее средство 5 для управления компенсационным газом, подаваемым по указанным одному или более подающим каналам 1 в месторождение G природного газа, предпочтительно регулирующее средство, зависящее от количества природного газа g, подлежащего добыче и/или добываемого из газового месторождения. Такое регулирующее средство может, например, содержать один или более клапанных механизмов и т.п., предпочтительно выполненных с возможностью автоматического управления, например, посредством элемента управления или контроллера.
3
В альтернативном или дополнительном варианте осуществления изобретения может быть использовано ручное управление таким регулирующим средство. Регулирующее средство предпочтительно выполнено с возможностью установки потока (расхода, м/с) компенсационного газа N, F, предназначенного для закачивания в газовое месторождение, на основании или с использованием потока, определенного измерительным средством 8, природного газа g, выпускаемого (например, одновременно) из газового месторождения G.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения один или более подающих каналов 1 проходят от уровня Н поверхности земли до дна или/и в дно В газового месторождения G. В настоящем примере подающий канал 1 проходит через газовое месторождение и дно В, достигая нижележащего слоя S1.
Для подачи компенсационных газов N, F могут быть использованы различные закачивающие средства, один или более компрессоров и т.п., что очевидно для специалистов в данной области техники. Первый источник 11 газа и второй источник 12 газа могут содержать один или более компрессоров (например, по меньшей мере объединенный компрессор или один или более отдельных компрессоров на каждый источник газа), в частности, выполненных с возможностью подачи компенсационных газов N, F по указанным одному или более подающим каналам 1. В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения к указанным одному или более подающим каналам 1 на уровне Н поверхности земли могут быть присоединены компрессоры сжатого атмосферного воздуха и фитинги для нагнетания по этим каналам 1 большого количества сжатого атмосферного воздуха F (если в качестве второго компенсационного газа используют воздух).
Как показано на фиг. 1-2, предложенное устройство выполнено с возможностью добавления инертного газа N в качестве разделительного слоя между природным газом g, находящимся в газовом месторождении G, и неинертным газом F.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения устройство может содержать сложную систему трубопроводов (не показана), соединенную с этим подающим каналом или этими подающими каналами и проходящую предпочтительно по всему дну В, которая содержит миллиарды максимально распределенных маленьких выходных отверстий, обеспечивающих как можно более равномерное поступление подаваемого сжатого атмосферного воздуха по всему дну залежи природного газа.
В соответствии с показанным вариантом указанные один или более подающих каналов 1 выполнены с возможностью подачи газа в газовое месторождение G на вертикальном уровне выше дна В газового месторождения. В предпочтительном варианте осуществления изобретения указанные один или более подающих каналов 11 (каждый) содержат ряд выпускных отверстий 2 для подачи газа в газовое месторождение G на разных вертикальных уровнях (при необходимости с возможностью дозирования по высоте). Таким образом, может быть обеспечена особенно эффективная подача компенсационных газов. Во время эксплуатации, например, компенсационный газ может быть подан в газовое месторождение через указанные один или более подающих каналов 1 таким образом, что компенсационный газ N, F достигает и нижележащего слоя S1 (т.е. дна В газового месторождения), и вышележащего слоя S2 (т.е. вершины Т газового месторождения), и, в частности, таким образом, что компенсационный газ N, F образует барьер между наружной поверхностью каждого из указанных одного или более подающих каналов 1 и природным газом g, находящимся в газовом месторождении. Это показано на фиг. 1 и 2.
Применение устройства включает, в частности, способ компенсации добычи природного газа g из газового месторождения G, в частности, для предотвращения проседания пластов S2, расположенных над месторождением природного газа. Подача компенсационного газа F, N может быть осуществлена одновременно с добычей (т.е. одновременно с выпуском) природного газа g, но это не имеет существенного значения. Компенсационный газ может быть также закачан в месторождение во время (временной) остановки добычи природного газа.
В настоящем предпочтительном варианте осуществления изобретения сначала в месторождение G природного газа подают инертный компенсационный газ N, как показано на фиг. 1. Инертный компенсационный газ N могут нагнетать в газовое месторождение G по подающему каналу 1 для предотвращения снижения давления. Как показано на чертеже, инертный компенсационный газ N достигает и дна В, и вершины Т газового месторождения и может полностью изолировать наружную поверхность подающего канала 1, расположенного в газовом месторождении. Инертный компенсационный газ N образует колонну, которая по меньшей мере является по существу кольцевым или трубчатым барьером вокруг подающего канала 1. Однако, это не имеет существенного значения. Кроме того, инертный компенсационный газ N может быть введен в газовое месторождение таким образом, что изначально он не достигает дна В и/или вершины Т газового месторождения G. Такой по существу кольцевой или трубчатый барьер вокруг подающего канала 1 может, например, быть не образован до введения последующего (неинертного) компенсационного газа F.
После закачивания в газовое месторождение G определенного количества инертного компенсационного газа N устройство переключается на закачивание неинертного компенсационного газа F, что показано на фиг. 2. В этом случае инертный компенсационный газ N образует разделительный слой между природным газом g и неинертным газом F. Переключение с подачи одного компенсационного газа на подачу другого компенсационного газа может происходить резко или путем постепенного переключения (например, посредством закачивания смеси газов N, F во время определенного переходного периода).
В предпочтительном варианте осуществления изобретения разделительный слой/барьер (между природным газом g и неинертным газом F), образуемый инертным газом, имеет толщину несколько метров, например, около 10 метров или больше, и, к примеру, толщину барьера по меньшей мере 50 м или по меньшей мере 100 м. Толщина барьера или по меньшей мере соответствующее количество инертного газа, подлежащего закачиванию, зависит, например, от количества неинертного газа, подлежащего закачиванию.
После закачивания определенного количества инертного газа N вводят неинертный газ F, предпочтительно через указанные один или более тех же самых подающих каналов 1 (и соответствующие выпускные отверстия 2). В этом случае компенсационные газы F, N полностью заполняют локальную часть месторождения G, расположенную между дном В газового месторождения и вершиной Т газового месторождения (см. фиг. 2). Риск нежелательной реакции между природным газом g, все еще находящимся в газовом месторождении, и неинертным газом F устранен за счет барьера, образованного инертным газом N.
Таким образом, достигнут дополнительный эффект, заключающийся в том, что требуется относительно небольшое количество инертного газа N для компенсации снижения давления, происходящего в результате добычи природного газа.
Устройство, показанное на фиг. 1-2, может быть также использовано в качестве устройства для хранения энергии в газовом месторождении G в виде повышения давления, например, повышения давления сжатого воздуха. Дополнительный вариант осуществления этого устройства показан на фиг.3. В частности, объем сжатого газа, образованный компенсационными газами F, N может служить в качестве накопителя энергии. Во время применения устройство может закачивать такое количество неинертного газа F (например, воздуха) через указанные один или более подающих каналов 1 в газовое месторождение G (при помощи указанных одного или более компрессоров 30), что давление повышается на несколько бар относительно первоначального давления (и обеспечивает определенное избыточное давление в газовом месторождении G относительно первоначального давления). Это первоначальное давление может быть, например, выше 50 бар, выше 80 бар и может, например, равняться приблизительно 85 бар. Энергия, необходимая для осуществления повышения давления, может включать, например, избыточную энергию (к примеру, остаточный ток) от одного или более генераторов энергии, электростанций, солнечных панелей, ветряных двигателей и т.п., которая может быть использована для приведения в действие одного или более компрессоров первого источника 11 газа.
Энергия, хранящаяся в газовом месторождении G, может быть использована просто посредством снижения избыточного давления в газовом месторождении G, в частности, при помощи выпуска неинертного газа F (который может проходить, например, через один или более подающих каналов за счет отсоединения от источника газа и присоединения к газовыпуску или через один или более других каналов 1'). В этом случае выпускаемый газ F может быть использован для приведения в действие генератора 31 энергии, например, турбины и т.п. Использование энергии может, например, включать колебание/изменение давления компенсационного газа F, N, хранящегося в газовом месторождении G, в пределах определенного диапазона давлений, например, в пределах интервала плюс-минус один или несколько бар, вычисленного по основному давлению. Обеспечение относительно небольших колебаний давления во время хранения и отвода энергии позволяет избежать нежелательной нестабильности или смещения грунта.
Следует отметить, что указанные один или более компрессоров 30 могут вырабатывать тепло при их использовании. Как показано на фиг. 3, предпочтительно, чтобы устройство содержало по меньшей мере тепловой резервуар 35 для хранения тепла, высвобождаемого при использовании указанных одного или более компрессоров. Такой тепловой резервуар может быть реализован разными способами, например, как подземный водный резервуар или водоносный коллектор, к которому тепло компрессора может быть подано при помощи соответствующего теплообменного устройства и теплоподводящего трубопровода(-ов), которые известны специалистам в данной области техники. Кроме того, тепло компрессора может быть, например, использовано для обогрева жилых домов и/или зданий (в сочетании с нагревом водопроводной воды или без него) путем подачи к ним тепла компрессора через соответствующий тепловой дренаж 38.
Кроме того, на фиг. 3 показано, что устройство может содержать по меньшей мере электрогенератор 31, выполненный с возможностью приведения в действие энергией, хранящейся в газовом месторождении. Это приведение в действие может быть объединено с декомпрессией газа F, выпускаемого из газового месторождения G. В таком случае, особенно предпочтительно с энергетической точки зрения, если устройство выполнено с возможностью по меньшей мере частичной компенсации охлаждения, сопровождающего эту декомпрессию, за счет тепла из теплового резервуара. В этой связи, тепло может быть отведено из теплового компенсатора 35 посредством соответствующего теплообменного средства и одного или более дренажей 33.
Использование системы, схематически показанной на фиг. 3, включает в себя способ хранения энергии, включающий подачу газа, например, воздуха или азота или их смеси, в подземное газовое месторождение, например, месторождение G природного газа.
Подаваемый газ сжимают, выделяющееся в результате этого тепло хранят в тепловом резервуаре 35.
Если необходимо производить энергию (в частности, электрическую), приводят в действие генератор. В этом случае сжатый газ выпускают из подземного газового месторождения и используют для приведения в действие генератора 31. Здесь происходит декомпрессия газа. Охлаждение, связанное с этой декомпрессией, может по меньшей мере частично быть компенсировано за счет тепла из теплового резервуара 35.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения прошедший декомпрессию газ хранят для повторного использования, например, для повторного введения в газовое месторождение (после сжатия). В этой связи, устройство предпочтительно содержит дополнительное газовое хранилище (не показано), которое может быть расположено над уровнем поверхности земли, вблизи уровня поверхности земли или под землей (по меньшей мере на вертикальном уровне, расположенном выше уровня газового месторождения G). Особенно предпочтительно, чтобы газом был не воздух, а, например, азот, топочный газ и/или т.п. Если в качестве газа, подвергающегося декомпрессии, используют только воздух, то он может, например, после декомпрессии быть выпущен в окружающую среду.
Специалистам в данной области техники очевидно, что изобретение не ограничено описанными примерами. Возможны различные модификации в пределах объема изобретения, заданного нижеследующей формулой изобретения.
Таким образом, из указанного следует, что термин "газ" в настоящей заявке следует понимать в широком смысле, и он может включать смесь газов или газообразную среду.
Кроме того, подача газа в газовое месторождение (или залежь газа) может быть осуществлена разными способами, например, посредством подачи к дну месторождения и/или в другое место, что очевидно специалистам в данной области техники.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения подачу осуществляют таким образом, что подаваемый газ образует вертикальное разделение в газовом месторождении.
Неинертным газом может быть, например, кислородосодержащий газ, к примеру, воздух.
Инертный газ может, например, не содержать кислород и состоять, скажем, из благородного газа, азота, двуокиси углерода или топочного газа или сочетания этих или других инертных газов.
В контексте настоящей заявки термин "инертный газ" может означать, что газ при нормальных атмосферных условиях (20°С и давлении в 1 атмосферу) не вступает в химическую реакцию с природным газом (т.е. исключен риск взрыва).
В контексте настоящей заявки термин "неинертный газ" может означать, что газ при нормальных атмосферных условиях (20°С и давлении в 1 атмосферу) может вступать в химическую реакцию с природным газом (т.е. существует риск взрыва при смешивании этого неинертного газа с природным газом).