История создания подземных хранилищ газа

Ключевые слова:

подземное хранилище газа, ПХГ,

1915 год,

Эжени Мариус

Косте,

газовое

месторождение

Уэлланд,

Онтарио,

Уильям Дадж, хранилище Зоар, природный газ, 100-летие ПХГ, Уэлланд-Каунти.

Keywords:

underground gas storage facility, 1915,

Eugene Marius Coste,

natural gas field Welland,

Ontario,

W.J. Judge,

Zoar Field, natural gas, centenary of underground gas storing,

Welland County.

К 100-летию подземного хранения газа в мире

УДК 622.691.24

К.И. Джафаров, В.Ю. Хвостова, А.В. Пахомов

История создания подземных хранилищ газа

В 2015 г. исполняется 100 лет организации подземного хранения газа в мире. Первая успешная закачка газа в подземные пласты была произведена в 1915 г. в Канаде.

За несколько лет до создания первого подземного хранилища газа (ПХГ) в газовой отрасли Канады уже немало было сделано. Одним из основателей канадской газовой отрасли по праву считается Эжени Мариус Косте (1859-1940 гг.), который родился в Канаде (провинция Онтарио) в семье выходцев из Франции, получил образование горного инженера во Франции, закончив Парижский университет в 1876 г. и в 1883 г. - школу инженеров в г. Париже (фр. Ecole National Superieure des Mines). Сразу же поступил на службу в Геологическую службу Канады, где проработал 6 лет [1]. Затем работал независимым горным инженером.

В 1889 г. Э.М. Косте начал поиски природного газа в южной части провинции Онтарио. Известно, что природный газ был открыт в Канаде в 1859 г. в провинции Нью-Брансуик (New Brunswick) и в 1866 г. - в юго-западной части провинции Онтарио (Ontario). Все ранние открытия не были доведены до конца, да и газ, обнаруженный вместе с нефтью в Онтарио, рассматривался как ненужный продукт (отходы) и в процессе добычи нефти выбрасывался в воздух. Это продолжалось до тех пор, пока Э.М. Косте не занялся поисками и дальнейшей крупномасштабной разработкой газовых месторождений сначала в Онтарио, затем в Альберте [2].

В 1889 г. после нескольких лет геологических изысканий в разных районах Э.М. Косте начал бурение на газ и ввел в эксплуатацию газовую скважину в округе Эссекс (Essex) провинции Онтарио на газовом месторождении Эссекс, которое стало главным открытием. Скоро Е.М. Косте пробурил уже несколько эксплуатационных (действующих) скважин и начал обеспечивать близлежащие населенные пункты топливом для освещения, отопления и приготовления еды [3, 4]. Годом позже он пробурил скважину близ г. Ниагара-Фолс (Niagara Falls) на месторождении Берти-Хамберстон (Bertie-Humberstone) в округе Уэлланд-Каунти (Welland County) провинции Онтарио и в 1891 г. начал поставлять природный газ в г. Буффало штата Нью-Йорк [5, 6].

К 1895 г. Е.М. Косте стал владельцем United Gas and Oil Company, а к 1904 г. уже имел репутацию лучшего геолога Канады. С его именем связаны открытия газовых месторождений этой страны. В 1904 г., после того как его скважины стали давать меньше газа (работать всухую), Е.М. Косте обратил внимание на запад Канады

Бурение газовой скважины, Канада, 1905 г. [7]

№ 3 (23) / 2015

VGN-3-23-2015-v24.indd 122

21.08.2015 9:59:42

Проблемы разработки и эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений

123

OW/ietf by CP. ft

Dp///ее/ by /У. D/Y/orf/п, /909.

О/с/ G/огс/" ~~ DfecUcbne- //at Ри&-бс£.

D&pt/? - /90D /eet С ay><?c-//(/~ 4,>-500,000 cc/Aic 7^€ef /L>er c/oy.

УУ/ // cfeYe /op 2/,O0O //./?

/" '’УОО or p<?'- </**/•

Газовая скважина «Старая Глория», о. Боу, Канада, 1909 г. [8]

Е.М. Косте (в центре) с рабочими своей буровой бригады на скважине «Старая Глория», о. Боу, Канада [10]

с целью обеспечения всех городов южной части провинции Альберта природным газом [1].

В интересах Canadian Pacific Railway Е.М. Косте бурил скважины вдоль КанадскоТихоокеанской железной дороги и обнаружил газ в полудюжине мест, включая первую (поисково-разведочную) скважину «Старая Глория» (Old Glory) на новом крупном месторождении на о. Боу (Bow) в восточной провинции Альберта в 1909 г., крупнейшую в Канаде в тот период [1].

В 1910 г. Э.М. Косте организовал Prairie Natural Gas Company в партнерстве с Арчибальдом Дингманом (Archibald Dingman), который продал ему свою компанию Calgary Natural Gas. В 1911 г. Prairie Natural Gas Company была переименована в компанию Canadian Western Natural Gas, Light, Heat and Power Company («Природный газ, свет, тепло и энергия Западной Канады»). Вместе с братом Дэнисом Косте (Denis Alexander Coste, 18621940 гг.) Э.М. Косте создал компанию Volcanic Oil and Gas, которая в 1911 г. была объединена с United Fuel Supply Company Ltd. и Ridgetown

Д.А. Косте и Э.М. Косте (слева направо) [6]

№ 3 (23) / 2015

Fuel Supply Company. Слияние этих компаний дало рождение Газовой ассоциации Канады (Union Gas Company или Union Natural Gas Company of Canada), основателями которой, соответственно, стали братья Косте [9].

В 1912 г. Canadian Western Natural Gas, Light, Heat and Power Company построила газопровод длиной 270 км (диаметром 16 дюймов, или 41 см), соединивший г. Калгари с о. Боу. В то время это был один из самых крупных трубопроводных объектов как по протяженности, так и по мощности. Город имел 40-километровую систему снабжения светильным газом (вырабатывавшимся из угля) для 1800 потребителей, и переход на природный газ рассматривался как большой прогресс [2].

Еще раз отметим, что в конце XIX в. не существовало никакого практического способа хранения природного газа, в отличие от дерева, угля или нефти. И часто при обнаружении газа его сжигали на факелах или просто «выпускали на воздух», как тогда говорили, что приводило к большим потерям. Производственный (искусственный) газ имел преимущество в этой

Доставка труб при строительстве трубопровода Bow Island - Calgary [11]

VGN-3-23-2015-v24.indd 123

21.08.2015 9:59:42

124

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

области. Можно было построить завод там, где это было необходимо, получить столько газа, сколько было необходимо, а затем хранить разумное его количество в газгольдерах, чтобы сгладить процесс снабжения газом. Первые пользователи природного газа пытались найти источники газа, близкие к потребителю, чтобы не перемещать его на дальние расстояния по первоначально примитивным (в то время) трубопроводным системам. Например, с производством технического углерода (сажи) пользователи природного газа не имели проблем. Капиталовложения в строительство заводов технического углерода были достаточно низкими, поэтому такие заводы строились в отдаленных районах вблизи источника природного газа. Большинство же промышленных и бытовых пользователей газа не могли этого сделать [12]. Устьевое давление также резко колебалось от скважины к скважине, поэтому каждый источник должен был управляться по-разному. Пожалуй, одним из самых больших ограничителей роста добычи газа была неопределенность его поставок. Не было известно, сколько газа может давать каждая скважина и в течение какого периода. Соответственно, не было желания строить большую инфраструктуру, которая могла стать бесполезной при истощении запасов газа на участке.

Методы хранения природного газа разрабатывались в течение многих лет. И подземное хранение газа, широко и эффективно используемое в настоящее время, является одним из этих методов. В ретроспективе кажется, что этот метод был очевиден. Тем не менее, в то время хранение газа не рассматривалось как задача или проблема. Первые проблемы были связаны с закрытием (перекрытием) скважин и накоплением газа. И когда, наконец, в конце XIX в. газ признали ценным ресурсом, акцент был сделан на его продвижение на рынок, строительство и содержание трубопроводов. Поскольку большинство скважин не располагались рядом с конечными потребителями газа, необходимо было построить систему его поставки и распределения. Хранение стало инструментом регулирования поставок газа: для поддержания стабильности снабжения потребителей при различных условиях спроса и накопления объема газа, который не требовался в данный момент [13].

Первоначально концепцию хранения природного газа в 1909 г. предложила Геоло-

гическая служба США [14]. Самое первое подземное хранение газа было успешно реализовано в 1915 г. в округе Уэлланд провинции Онтарио на истощенном участке газового месторождения, принадлежащего Provincial Gas Company, дочерней компании National Fuel Gas Company (№ОС, Национальная топливная газовая компания) [15, 16].

Месторождение Уэлланд к 1915 г. разрабатывалось уже почти 30 лет (с 1889 г.), и ряд его участков на суше (в составе месторождения имеются участки в озерной части) были практически истощены, пластовое давление упало. Большая часть участков еще эксплуатировалась. Структуру пласта составлял мелкозернистый песчаник. Для проведения эксперимента несколько старых скважин были восстановлены, отремонтированы и оборудованы для закачки газа.

Сохраняя хронологический порядок и «научную справедливость», следует отметить следующее. Первым идею подземного хранения природного газа высказал и применил на практике вице-президент NFGС Уильям Дадж (W.J. Judge) [17, 18]1.

TilEOI!CjTV DERFICK.

Полоса газеты The Oil City Derrick от 16 февраля 1953 г. со статьей о У. Дадже

За несколько лет до проведения эксперимента в Уэлланде он выдвинул предположение о возможности использования старых га-

1 Этот факт был отмечен в газете The Oil City Derrick, опубликованной в Oil City (штат Пенсильвания,

США) 16 февраля 1953 г.: «In July, 1915, he was elected vice-president and director of the firm and in 1919 he became president, succeeding Walter Jennings. Conceived Underground Storage: "Judge conceived the idea of underground storage of natural gas and was the first to put it into practice in the summer of 1915». Пока не удалось найти другие сведения, подтверждающие или опровергающие открытие У Даджа.

№ 3 (23) / 2015

VGN-3-23-2015-v24.indd 124

21.08.2015 9:59:42

Проблемы разработки и эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений

125

зовых скважин (в истощенных продуктивных пластах) в качестве подземных хранилищ газа, обусловленное неудачными работами по удалению воды (осушке) из заброшенной соляной шахты вблизи Кливленда рядом с Восточным Огайо. «После затрат в количестве приблизительно 90000 долл. в попытке удалить воду из шахты усилия были остановлены в связи с неудачным проектом» [12].

У Дадж считал, что вода является единственным фактором, который мешает хранению газа, при условии, что границы эксплуатационного пласта достаточно хорошо определены, и интенсивное бурение не навредит данной области. Поэтому в 1915 г. он дал указание Provincial Gas Company определить группу практически истощенных газовых скважин месторождения Уэлланд для обратной закачки природного газа в целях обеспечения запасов газа для удовлетворения потребностей потребителей в зимний период. Закачка газа была проведена летом 1915 г. По мере закачки газа отмечалось, что давление нарастает. Объем нагнетаемого газа не замерялся, но значения давления записывались. Зимой газ был извлечен и использован для удовлетворения пиковых потребностей. Этот проект стал одноразовым, и больше обратная закачка газа на месторождении Уэлланд не проводилась.

Этот первый опыт показал, что газ, закачанный в мелкозернистый песок, может быть извлечен обратно. Коммерческое применение подземного хранения газа в Канаде началось лишь с 1942 г., что было связано с разработкой участка 47-49 в округе Даун Тауншип (Dawn Township).

И хотя не так уж много было выявлено в результате проведения эксперимента на месторождении Уэлланд в 1915 г., положительный результат побудил Iroquois Gas Company (отделение NFGG) применить эту технологию на истощенном газовом месторождении Зоар (Zoar) в 25 милях (40,25 км) к югу от Буффало (штат Нью-Йорк, США), что и было успешно

Компрессоры Snow Steam

осуществлено в 1916 г. [12, 19]. Инженеры компании определили, что подземная формация может быть пригодна для удерживания газа, а месторождение может быть оборудовано под газохранилище.

Однако следует отметить, что первую эксплуатационную скважину Керр (Kerr) на месторождении Зоар в 1888 г. пробурила нефтяная компания Ohio Valley на сельскохозяйственных угодьях (ферме) Вильям Вайт (William White) в г. Коллинз к югу от Буффало. Это была крупнейшая эксплуатационная в то время газовая скважина в округе Эри (Erie, штат Нью-Йорк). Добычу 30 млн фут3 (849,5 тыс. м3) в день осуществляли из известняка Onondaga (или Flint) с глубины около 1800 футов (548,6 м). Скважина фонтанировала («вентилировалась») свободно в течение десяти дней.

В 1894 г. местные жители г. Спрингвилла образовали Springville Natural Gas Company и снабжали деревню газом с месторождения Зоар. После того как две скважины были закончены и освоены, их выкупила United Natural Gas Company (UNGC) и проложила два соединительных трубопровода к основному, идущему к Буффало. Между 1890 и 1910 гг. компания UNGC пробурила более двенадцати скважин, пять из которых являлись эксплуатационными (продуктивными).

Однажды скважина Парсел (Parsel), расположенная в четырех милях к западу от месторождения Зоар, загорелась и горела в течение определенного времени. Тысячи людей со всего западного Нью-Йорка стекались к этому месту понаблюдать за эффектным зрелищем [12, 13].

К 1914 г. начальное давление на скважинах месторождения Зоар (составлявшее более 600 psi (фунт-сила на квадратный дюйм), или 4,14 МПа) снизилось примерно до 100 psi (0,69 МПа). В том же году на месторождении была построена газоперекачивающая станция, а также установлены два газомоторных компрессора Snow Gas engine мощностью 450 л.с.

Works

№ 3 (23) / 2015

VGN-3-23-2015-v24.indd 125

21.08.2015 9:59:42

126

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

(331 кВт) каждый, приобретенных у компании Snow Sream Pump Works [20].

В 1916 г. корпорация Iroquois Natural Gas построила к югу от Буффало компрессорную станцию Зоар. К весне 1916 г. пластовое давление снизилось до 50 psi (0,34 МПа), что уже реально позволяло использовать залежь в качестве газохранилища. Под руководством У Даджа были начаты эксперименты по хранению газа. В течение лета газ дозированно закачивали в пласты (через скважины) в нескольких местах, чтобы определить, где будет

Компрессорная станция Зоар, 1957 г.

Список литературы

1. Энергетическая история Альберты. -http://history.alberta.ca/energyheritage/gas/ creation-of-an-industry/exploration-comes-west/ default.aspx

2. Bott R.D. Evolution of Canada’s Oil and gas Industry / Robert D. Bott, David M. Carson //

A companion publication to Petroleum Challenge. - 8th ed. - Calgary, Canada: Canadian Center for Energy Information, 2012. - 51 p.

3. Draft History of Mount Royal. Biography of Eugene Marius Coste // Mount Royal Community Association and Glenbow-Alberta Institute Archives and Library and the holdings of the Calgary Public Library. - February, 2013. - 183 p.

4. Viscosity and Constitution // Journal of the Institute of Petroleum. - April, 1940. - V. 26. -№ 198. - P. 223-224.

5. Rogers W.R. Statistical review of the mineral industry of Ontario for 1915 / W.R. Rogers // Ontario Bureau of Mines. P. I. - Toronto:

A.T. Wilgress and W. Briggs. - 1916. - V XXV -P. 35-39.

возможно его наиболее лучшее удерживание в выработанном пласте. Предварительно велось разбуривание с целью поиска разряженных полостей (карманов) или пористых линз в плотной формации. Сначала в хранилище было закачано приблизительно 50 млн фут3 (1,4 млн м3) газа, затем его объем увеличили до 200 млн фут3 (5,66 млн м3). Далее в периоды экстремального спроса из месторождения были отобраны более чем 40 млн фут3 (1,133 млн м3) газа. Проект был признан успешным, и Iroquois Gas Company перевела месторождение Зоар в режим хранилища. Так было создано первое промышленное подземное хранилище газа США емкостью 62 млн м3, действующее и сегодня.

В качестве заключения заметим, что до 1914 г. было осуществлено еще несколько незафиксированных попыток закачки газа в частично истощенные песчаные формации, но они носили эксплуатационно-исследовательский характер (исследование распространения давления, принципиальной возможности ресайклин-га) и не предполагали объемного хранения газа для последующего использования. Детальных сведений об этих фактах пока нет.

6. Coste E.M. Natural gas in Ontario /

Eugene M. Coste. - Toronto: James & Williams. -1901. - 20 p.

7. Архивы Гленбоу, кат. № PA-3689-1068.

8. Архивы Гленбоу, кат № NA-2159-20.

9. Историческое время компании Union Gas Company. Празднование 100-летия компании. -http://www.uniongas.com/about-us/our-legacy/ historical-timeline#era1

10. Архивы Гленбоу, кат. № PA-3648-1.

11. Архивы Гленбоу, кат. № NA-4048-1.

12. Waples D.A. The Natural Gas Industry in Appalachia: a history from the first discovery to the trapping of the Marcellus Shale /

David A. Waples. - Jefferson, North Carolina: McFarland & Company. - 2012. - 377 p.

13. Hrastar J. Liquid natural gas in United States:

a history / J. Hrastar // Jefferson, North Carolina: McFarland & Company. - 2014. - 288 p.

14. Gas Storage Industry Primer. - Alberta, Canada: Niska Gas Storage Partners LLC. - April, 2010. -13 p.

№ 3 (23) / 2015

VGN-3-23-2015-v24.indd 126

21.08.2015 9:59:42

Проблемы разработки и эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений

127

15. Kidney A.J., Parrish W.R. Fundamentals

of natural gas processing / Arthur J. Kidney, William R. Parrish. - London; N.-Y: Taylor & Francis Group. - 2006. - 418 p. (P. 254-259).

16. Johnston P., Eng P., Geo P. The growth of underground natural gas storage / P. Johnston,

P. Eng, P Geo // Ontario OIL&Gas (publication of the Ontario Petroleum Institute). - June, 2008. -P. 14-16.

17. The Oil City Derrick. - Oil City, Pennsylvania, USA, 1953. - February 16. - Р 14; http://www.newspapers.com/newspage/36585291/

18. The News-Herald. - Franklin, Pennsylvania,

USA. - February 16, 1953. - P 11; http://www.newspapers.com/newspage/53758792/

19. The value of underground storage in today’s natural gas industry. - Washington: Energy Information Administration, Office of Oil and Gas, U.S. Department of Energy. - March 1995. - 85 p.

20. Harvey P. Snow. P. I: The history: on-line publication about the history of internal combustion engines of Coolspring Power Museum, Pennsylvania, USA / Paul Harvey // http://www. coolspringpowermuseum.org/ Publications_Flywheel.htm. - February, 2014.

№ 3 (23) / 2015

VGN-3-23-2015-v24.indd 127

21.08.2015 9:59:42