Способ эксплуатации подземного хранилища природного газа

Изобретение относится к области нефтегазовой промышленности и предназначено для эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ). На ПХГ, на которых сооружены эксплуатационные скважины со вскрытием коллекторов хранилища, производят циклическую закачку в хранилище природного газа с созданием буферного и активного его объемов и отбор активного объема газа. В процессе эксплуатации ПХГ в нижнюю его часть закачивают диоксид углерода и замещают им в буферном объеме природный газ. В конце циклов отбора природного газа граница раздела диоксида углерода и природного газа достигает нижних отверстий интервала перфорации эксплуатационных скважин. Изобретение обеспечивает увеличение активного объема хранимого природного газа в ПХГ и снижение затрат на образование его буферного объема.

 

Изобретение относится к области нефтегазовой промышленности и предназначено для эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ).

Известен способ эксплуатации подземного хранилища природного газа в пластах-коллекторах, включающий закачку буферного объема газа и циклическую закачку и отбор активного объема газа, причем после отбора/закачки активного объема газа определяют значение текущего пластового давления в ПХГ, при значении данного давления ниже величины минимального/максимального проектного давления в пласт-коллектор дополнительно закачивают инертный газ в объеме, обеспечивающем повышение величины текущего пластового давления до проектного значения, при этом в качестве инертного газа используют азот, диоксид углерода или любой другой газ, который не содержит компонентов, которые могут реагировать с оборудованием и средой пласта-коллектора (Патент на полезную модель Украины №40544, 10.04.2009).

Основным недостатком известного способа является то, что при эксплуатации ПХГ возникает потребность в определенных объемах инертного газа (например, диоксида углерода), необходимых для разовых закачек и поддержания в ПХГ проектных величин пластового давления.

Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение активного объема хранимого природного газа в ПХГ, снижение затрат на образование его буферного объема и захоронение диоксида углерода как промышленного отхода.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в способе эксплуатации подземного хранилища природного газа, включающем сооружение эксплуатационных скважин со вскрытием коллекторов хранилища, циклическую закачку в хранилище природного газа с созданием буферного и активного его объемов, отбор активного объема природного газа и закачку в хранилище диоксида углерода с заменой на него части буферного объема природного газа, в процессе эксплуатации подземного хранилища газа суммарное количество диоксида углерода закачивают с таким расчетом, чтобы в конце циклов отбора природного газа граница раздела диоксида углерода и природного газа в хранилище достигала нижних интервалов вскрытия коллекторов эксплуатационными скважинами, используемыми для отбора газа.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Подземные хранилища природного газа (ПХГ) создают в выработанных газовых или нефтяных месторождениях или в геологических структурах, коллектора которых заполнены водой. Эксплуатация ПХГ заключается в циклической закачке природного газа в коллектора геологической структуры через сооружаемые эксплуатационные скважины с достижением величины пластового давления, не более максимального допустимого давления, зависящего от многих геологических факторов (герметичность покрышки геологической структуры, глубина структуры, активность окружающего водоносного бассейна и др.) и отборе природного газа из ПХГ потребителю по мере необходимости. При этом в ПХГ в процессе отбора природного газа остается некоторый его объем, зависящий от геологических, технологических и др. причин, который называют буферным газом. В ПХГ всегда имеется некоторый объем природного газа, который не может быть поставлен потребителю. Объем буферного газа может достигать половины и более всего объема газа в ПХГ после цикла закачки. При использовании описываемого изобретения предлагается замещать часть природного газа в буферном его объеме в ПХГ на неуглеводородные газы, например диоксид углерода (CO₂). Источниками таких газов могут служить газы, в том числе не утилизируемые и загрязняющие природную среду, например дымные газы, выхлопные газы и др.

Диоксид углерода отличается от природного газа (метана) значительно большими плотностью и сжимаемостью, поэтому при его закачке в ПХГ изначально можно предполагать высокие скорости расслоения диоксида углерода и природного газа. Для ускорения процесса расслоения газов и создание в ПХГ буферного объема газа преимущественно за счет диоксида углерода предлагается CO₂ закачивать в нижнюю часть ПХГ.

Создаваемая в ПХГ искусственная залежь природного газа, которая при отборе газа разрабатывается, а при закачке газа восстанавливается, снизу может подстилаться пластовой водой. Поскольку диоксид углерода имеет большую плотность и, кроме того, большую вязкость, по сравнению с метаном, то буферный объем CO₂ в ПХГ выполняет роль газового поршня между пластовой водой и хранимым природным газом, который препятствует преждевременному прорыву пластовой воды к эксплуатационным скважинам при отборе природного газа и уменьшает его потери за счет растворимости в пластовой воде в случае непосредственного контакта с ней.

Кроме того известно, что газ CO₂ обладает значительно большей растворимостью в воде, чем метан. Так при температуре 40°C растворимость CO₂ составляет 1, а CH₄ - 0,016 (граммы газа в 1 кг воды). Поэтому при закачке в ПХГ диоксида углерода в область контакта природного газа с водой значительная часть диоксида углерода будет растворяться в воде с образованием слабой малостабильной угольной кислоты (H₂CO₃), а при отборе природного газа из ПХГ по мере снижения пластового давления диоксид углерода снова будет возвращаться в газовую фазу, оттесняя природный газ к эксплуатационным скважинам.

Производить закачку диоксида углерода предпочтительнее на стадии закачки природного газа в ПХГ, чтобы за время выдержки ПХГ до стадии отбора природного газа из ПХГ произошло расслоение диоксида углерода и природного газа. В качестве скважин для закачки CO₂ в ПХГ могут быть использованы имеющиеся, например, наблюдательные скважины, имеющие связь (интервал перфорации) с коллекторами геологической структуры для ПХГ на контакте с пластовой водой, или специальные скважины, специально сооружаемые для этого.

Наибольшая эффективность описываемого изобретения достигается в ПХГ, созданных на базе истощенных газовых месторождений с газовым режимом их эксплуатации, в которых за время отбора газа не успевает среагировать и продвинуться в поровое пространство коллекторов ПХГ пластовая вода. В таких ПХГ соотношение объемов всего хранимого в ПХГ природного газа в конце закачки и буферного его объема практически равно соотношению давлений в конце закачки и после отбора газа, поэтому имеется возможность замещения природного газа в буферном его объеме в размере, равном поровому объему ПХГ (с учетом давления) от нижней границы до интервала перфорации эксплуатационных скважин, используемых в конце цикла отбора природного газа.

Пример реализации способа.

Имеется ПХГ, созданное в истощенном газовом месторождении с газовым режимом эксплуатации (с малоактивной пластовой водой). Максимальное пластовое давление в конце цикла закачки природного газа (P_З) составляет 10 МПа, минимальное пластовое давление в конце цикла отбора газа из ПХГ (P_O), потребное для подачи газа потребителю, составляет 5 МПа. Объем порового объема ПХГ (V_П) составляет 100 млн.м³, пластовая температура - T=320 K. Отношение порового объема ПХГ от плоскости нижних дыр интервала перфорации эксплуатационных скважин, используемых в конце цикла отбора газа, до покрышки ПХГ ко всему объему ПХГ составляет 0,4. Хранимый природный газ в ПХГ по составу является преимущественно метаном.

Определяем объем газа (V_CH4), который может храниться в таком ПХГ, и объем, остающийся в ПХГ после отбора газа, т.е. объем буферного газа $$\left(V_{CH4}^{б}\right)$$ :

V_CH4=V_П·P_З·Tст/Zз·Тпл·Рст=100·10·293/0,89·320·0,1=10288 млн.м³,

$$\left(V_{CH4}^{б}\right)=V_{П}\cdot P_{О}\cdot Tст/Zo\cdot Tпл\cdot Pст=100\cdot 5\cdot 293/\mathrm{0,93}\cdot 320\cdot \mathrm{0,1}=4923млн.{м}^3$$ ,

где Zз - коэффициент сжимаемости метана в конце цикла закачки (Zз=0,89) и отбора (Zo=0,93) газа при соответствующих пластовых условиях; Tст, Pст - стандартные температура (293 K) и давление (0,1 МПа).

Из приведенных вычислений видно, что объем буферного газа в ПХГ составляет 0,48 (4923/10288) всего объема хранимого газа, а объем активного газа - 5365 млн.м³.

По предлагаемому способу закачиваем в нижнюю часть ПХГ диоксид углерода с таким расчетом, чтобы в конце цикла отбора газа его верхняя граница достигала плоскости нижних дыр интервала перфорации эксплуатационных скважин, т.е. для наших условий объем CO₂ в конце цикла отбора газа будет занимать в ПХГ 0,6 всего его порового объема.

Определяем объем CO₂, который мы можем закачать в ПХГ:

V_CO2=0,6·V_П·P_O·Тст/Z_CO2·Тпл·Рст=0,6·100·5·293/0,8·320·0,1=3434 млн.м³,

где Z_CO2=0,8 - коэффициент сжимаемости CO₂ при пластовом давлении 5 МПа.

По найденной величине определяем объем порового пространства ПХГ, занимаемый CO₂ в конце цикла закачки газа:

$$V_{CO2}^{П}=V_{CO2}\cdot Tпл\cdot Pст\cdot Z_{CO2}/Tст\cdot P_{З}=3434\cdot 320\cdot \mathrm{0,1}\cdot \mathrm{0,4.293}\cdot 10=15млн.{м}^3$$ ,

где Z_CO2=0,4 - коэффициент сжимаемости CO₂ при пластовом давлении 10 МПа.

Остальную часть порового пространства ПХГ будет занимать газ (метан), в результате объем хранимого газа составит:

$$V_{CH4}^{\text{'}}=(V_{П}-V_{{}_{CO2}}^{П})\cdot P_{З}\cdot Tст/Zз\cdot Pст=(100-15)\cdot 10\cdot 293/\mathrm{0,89}\cdot 320\cdot \mathrm{0,1}=8745млн.{м}^3$$

Из данной величины буферный объем газа составит:

$$V{\text{'}}_{CH4}^{б}=\mathrm{0,4}\cdot V_{П}\cdot P_{О}\cdot Tст/Zo\cdot Tпл\cdot Pст=\mathrm{0,4}\cdot 100\cdot 5\cdot 293/\mathrm{0,93}\cdot 320\cdot \mathrm{0,1}=1969млн.{м}^3$$ ,

а активный (8745-1969)-6776 млн.м³.

Таким образом, на ПХГ с описанными параметрами имеется возможность увеличить объем активного газа с 5365 млн.м³ до 6776 млн.м³, а объем буферного газа уменьшить с 4923 млн.м³ до 1969 млн.м³. Кроме того, предлагаемый способ позволяет захоронить 3434 млн.м³ диоксида углерода.

В случае невозможности закачки всего объема диоксида углерода за один цикл, данная операция может быть реализована за несколько циклов закачки газа, при этом по методике, изложенной в примере реализации предлагаемого изобретения, определяется объем порового пространства ПХГ, занимаемый CO₂ на каждом цикле закачки газа, а также объем закачиваемого природного газа с достижением максимального значения закачиваемого диоксида углерода на каком-то цикле закачки газа и соответствующих ему объемов хранимого и активного природного газа в ПХГ.

При использовании предлагаемого способа эксплуатации ПХГ значительно сокращаются объемы консервации природного газа на создание его буферных величин, увеличиваются активные объемы его хранения и использования, кроме того, имеется возможность утилизации (захоронение) значительных объемов диоксида углерода или других газов, загрязняющих природную среду.

Способ эксплуатации подземного хранилища природного газа, включающий сооружение эксплуатационных скважин со вскрытием коллекторов хранилища, циклическую закачку в хранилище природного газа с созданием буферного и активного его объемов, отбор активного объема природного газа и закачку в хранилище диоксида углерода с заменой на него части буферного объема природного газа, при этом в процессе эксплуатации подземного хранилища газа диоксид углерода закачивают за несколько циклов с таким расчетом, чтобы в конце циклов отбора природного газа граница раздела диоксида углерода и природного газа в хранилище достигала нижних отверстий интервала перфорации эксплуатационных скважин коллекторов, используемых для отбора газа.