Газогидродинамическая оценка параметров хранения газа в водоносном горизонте

Досліджена можливість створення водоносного газосховища в геологічній структурі, розташованій в центральній частині України. Виконана балансова оцінка заповнення сховища з урахуванням витоків газу через породи покрівлі в період закачування, зберігання і витягу газу. Проведеними розрахунками встан...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Садовенко, И.А., Рудаков, Д.В., Инкин, А.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2010
Назва видання:	Геотехническая механика
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33540
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Газогидродинамическая оценка параметров хранения газа в водоносном горизонте / И.А. Садовенко, Д.В. Рудаков, А.В. Инкин // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 77-84. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-33540
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-335402012-05-29T13:30:14Z Газогидродинамическая оценка параметров хранения газа в водоносном горизонте Садовенко, И.А. Рудаков, Д.В. Инкин, А.В. Досліджена можливість створення водоносного газосховища в геологічній структурі, розташованій в центральній частині України. Виконана балансова оцінка заповнення сховища з урахуванням витоків газу через породи покрівлі в період закачування, зберігання і витягу газу. Проведеними розрахунками встановлені зміни об'єму і тиску газу у водоносному пласті на всіх етапах експлуатації сховища. A feasibility study was accomplished for a geological structure in Central Ukraine as the hypothetical underground gas storage (UGS) facilities. The balance estimation was made for UGS performance taking into account the gas losses caused by leakage through a low-permeable overlying bed during pumping, storing gas, and its extraction. The calculations were carried out for changes of the gas volume and pressure in the aquifer during all stages of exploitation of UGS facilities. 2010 Article Газогидродинамическая оценка параметров хранения газа в водоносном горизонте / И.А. Садовенко, Д.В. Рудаков, А.В. Инкин // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 77-84. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33540 622.276 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Досліджена можливість створення водоносного газосховища в геологічній структурі, розташованій в центральній частині України. Виконана балансова оцінка заповнення сховища з урахуванням витоків газу через породи покрівлі в період закачування, зберігання і витягу газу. Проведеними розрахунками встановлені зміни об'єму і тиску газу у водоносному пласті на всіх етапах експлуатації сховища.
format	Article
author	Садовенко, И.А. Рудаков, Д.В. Инкин, А.В.
spellingShingle	Садовенко, И.А. Рудаков, Д.В. Инкин, А.В. Газогидродинамическая оценка параметров хранения газа в водоносном горизонте Геотехническая механика
author_facet	Садовенко, И.А. Рудаков, Д.В. Инкин, А.В.
author_sort	Садовенко, И.А.
title	Газогидродинамическая оценка параметров хранения газа в водоносном горизонте
title_short	Газогидродинамическая оценка параметров хранения газа в водоносном горизонте
title_full	Газогидродинамическая оценка параметров хранения газа в водоносном горизонте
title_fullStr	Газогидродинамическая оценка параметров хранения газа в водоносном горизонте
title_full_unstemmed	Газогидродинамическая оценка параметров хранения газа в водоносном горизонте
title_sort	газогидродинамическая оценка параметров хранения газа в водоносном горизонте
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate	2010
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33540
citation_txt	Газогидродинамическая оценка параметров хранения газа в водоносном горизонте / И.А. Садовенко, Д.В. Рудаков, А.В. Инкин // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 77-84. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Геотехническая механика
work_keys_str_mv	AT sadovenkoia gazogidrodinamičeskaâocenkaparametrovhraneniâgazavvodonosnomgorizonte AT rudakovdv gazogidrodinamičeskaâocenkaparametrovhraneniâgazavvodonosnomgorizonte AT inkinav gazogidrodinamičeskaâocenkaparametrovhraneniâgazavvodonosnomgorizonte
first_indexed	2025-07-03T14:13:41Z
last_indexed	2025-07-03T14:13:41Z
_version_	1836635412953563136
fulltext	Выпуск № 91 77 УДК 622.276 И.А. Садовенко, д-р техн. наук, проф., Д.В. Рудаков, д-р техн. наук, А.В. Инкин, канд. техн. наук (НГУ) ГАЗОГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ХРАНЕНИЯ ГАЗА В ВОДОНОСНОМ ГОРИЗОНТЕ Досліджена можливість створення водоносного газосховища в геологічній структурі, розташованій в центральній частині України. Виконана балансова оцінка заповнення схови- ща з урахуванням витоків газу через породи покрівлі в період закачування, зберігання і витя- гу газу. Проведеними розрахунками встановлені зміни об'єму і тиску газу у водоносному пласті на всіх етапах експлуатації сховища. GAS- AND HYDRODYNAMICAL ASSESSMENT FOR PARAMETERS OF UNDERGROUND GAS STORAGE IN THE AQUIFER A feasibility study was accomplished for a geological structure in Central Ukraine as the hypo- thetical underground gas storage (UGS) facilities. The balance estimation was made for UGS per- formance taking into account the gas losses caused by leakage through a low-permeable overlying bed during pumping, storing gas, and its extraction. The calculations were carried out for changes of the gas volume and pressure in the aquifer during all stages of exploitation of UGS facilities. Введение. В настоящее время подземное хранение газа (ПХГ) в водоносных пластах является общепризнанной технологией, применяемой во всем мире [1]. Поземные газохранилища эксплуатируются в США (80 хранилищ общим объе- мом 90 млрд. м3), Канаде (30 хранилищ – 25 млрд. м3), России (10 хранилищ – 25 млрд. м3), Франции (3 хранилища – 1,5 млрд. м3) и в других странах. Анализ их работы показал [2], что средние удельные затраты на прирост 1 тыс. м3 ак- тивного объема газа в водоносных хранилищах составляют 50 долларов США, в то время как создание наземных резервуаров эквивалентного объема требует в 7-10 раз больше капитальных вложений. Кроме того, хранилища в водонос- ных структурах характеризуются высокой герметичностью, благодаря чему они также могут использоваться для хранения парниковых газов, например, СО2. В Украине поиск геологических структур, пригодных для хранения газа, приобретает особую актуальность. Это обусловлено тем, что имеющиеся в рас- поряжении подземные хранилища большой емкости сосредоточенны преиму- щественно на западе страны, откуда подача газа на восток и в центр Украины нерациональна. Кроме этого, использование для аккумуляции газа стальных ре- зервуаров, имеющих вместимость до 500 тыс. м3 позволяет сглаживать лишь суточные колебания потребления, в то время как сезонные пики достигают со- тен миллионов куб. метров. Применяемые в мировой практике для хранения га- за такие типы природных резервуаров, как соляные полости и истощенные га- зовые и нефтяные залежи, не могут рассматриваться как альтернатива ввиду ограниченности их распространения на территории промышленных центров страны. Геологическая характеристика участка. В качестве емкостного ресурса, способного вмещать запасы природного газа, необходимые для покрытия се- 78 "Геотехническая механика" зонной неравномерности газопотребления в центральной части Украины, мо- жет быть использовано поровое пространство пермско-триасового водоносного горизонта, расположенного в пределах Левенцовской площади (1930 км2) За- падного Донбасса (рис. 1). Мощность пласта-коллектора изменяется от 113 до 127 м при глубине зале- гания кровли от 350 до 580 м. Воды горизонта характеризуются высокой мине- рализацией (33-65г/л) и не пригодны для любого вида водоснабжения. Пласт обладает достаточной проницаемостью при средних значениях коэффициента фильтрации 3 м/сут и водопроводимости 290 м2/сут, коэффициента пьезопро- водности и активной пористости от 0.1 до 0.25. Перспективность выделенных песчаников как коллектора также подтверждается наличием верхнего водоупо- ра, представленного 110 – 200 метровой толщей юрских глин с коэффициентом фильтрации 10–4 м/сут. Целью данной работы является оценка геотехнологических параметров под- земного хранения газа в пермско-триасовых отложениях на территории Левен- цовской площади. Для этого потребовался комплексный анализ гидродинами- ческих и геомеханических процессов с точки зрения устойчивого функциони- рования и экологической безопасности ПХГ. 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 T + P Водонос ный горизонт для хранения газа Q N1S P3 hr P2 kv J C2 Глубина, м Рис. 1 – Сводный геологический разрез Левенцовской площади Выпуск № 91 79 Схематизация ПХГ в водоносном горизонте. С учетом сезонных измене- ний потребления газа следует выделить такие этапы функционирования ПХГ: 1) закачка газа в теплое время года; 2) хранение закачанного газа; 3) отбор газа в зимний период; 4) хранение т.н. буферного или технологического газа до сле- дующей закачки. В течение от нескольких суток до нескольких недель по окон- чании каждого периода в пласте-коллекторе происходит стабилизация и пере- распределение давления газа. Его пространственно-временные изменения могут быть детально промоделированы на основании системы уравнений двухфазной фильтрации [3-6]. Однако для предварительных оценок осуществимости проек- та ПГХ достаточно определить предельные диапазоны таких геотехнологиче- ских параметров, как размеры газовой полости, давления в ней, объемов хра- нимого газа и утечек [7]. Необходимые расчеты выполнены на основании гид- рогеологических данных и соотношений подземной гидрогазодинамики. Для горно-геологических условий Левенцовской площади применима схема пласта-коллектора, перекрытого сверху и снизу горизонтальными слабопрони- цаемыми отложениями (рис. 2). Газовая полость приближенно принимает фор- му цилиндра, радиус которого при закачке и отборе изменяется от Rmin до Rmax. Более точно форма образующейся полости похожа на усеченный конус, расши- ренный кверху из-за разницы плотностей газа и воды. Rmin Rmax Rc m He r Pg Pw Pc Рис. 2 – Схема ПГХ в горизонтальном водоносном пласте Отклонение формы газовой полости от цилиндрической можно оценить, учитывая гидростатическое давление, оказываемое на элементарные цилиндры газа единичной высоты, расположенные в кровле и на подошве пласта. Для изолированных объемов отношение нижнего радиуса к верхнему записывается в виде ( )mHH ee + , где Н е – напор в водоносном пласте, а m мощность пла- ста. Применительно к условиям пермско-триасового горизонта на территории Левенцовской площади (He=200 m, m=120 m) данная величина составит 0,79. Однако для сообщающихся объемов газа с незначительным перепадом давле- ния эта величина будет близкой к 1,0. Более точно форма газо-водяного контак- 80 "Геотехническая механика" та может быть определена численным моделированием с заданием условия Кельвина на фазовой границе [8]. Давление в газовой полости в стационарных условиях должно уравновеши- ваться давлением водяного столба, которое усредняется по мощности пласта       +ρ=ρ+ρ== ∫ 2 1 0 m HggHdzgz m PP ewew m wcg , (1) где wρ – плотность воды; g – ускорение свободного падения; z – вертикальная координата. Объем сжатого газа в пласте определяется в соответствии с законом Бойля- Мариотта agg PPVV 0= , (2) где V0 – объем закачанного газа при нормальных условиях; Р а – атмосферное давление; Рg – давление газа в пласте. Радиус цилиндрической области в пласте вокруг скважины определяется в виде ( )ag nmVR π= 0 , (3) где na – активная пористость пород пласта. Расчетная оценка параметров ПХГ. В случае размещения в Левенцовской структуре подземного хранилища рабочим объемом 150 млн. м3 и эквивалент- ным объемом буферного газа горизонтальные размеры полости, заполненной газом, будут изменяться от 400 до 1100 м (табл. 1). Объем, необходимый для хранения 300 млн. м3 газа, не превышает полез- ную упругоемкость пласта-коллектора, определенную в ходе опытно- фильтрационных работ 17,5 млн. м3. Давление в ПХГ в период нагнетания изменяется от Pw (давление в скважи- не) до Pg, min (давление на границе фаз), причем Pg, min >Pc, что обусловливает расширение области, занимаемой газом. Давление в скважине должно в 2-3 раза превышать давление в пласте, что для рассматриваемых условий дает Pw=5-7 МПа. В период хранения, до и после закачки давление Pg, определяемое по формуле (1), составляет 2,6 МПа. В период отбора оно должно быть не- сколько меньше, чем давление в откачивающей скважине для поддержания ста- бильного расхода. Таблица 1 – Оцениваемые радиусы газовой полости в Левенцовской структуре и объемы занимаемые газом Параметры Rmin, м Rmin, м na, min=0,1 400 565 na, max=0,25 253 375 Vg, млн. м3 5,77 11,54 Выпуск № 91 81 Утечки газа из ПГХ обусловлены его фильтрацией через залегающую свер- ху водонасыщенную толщу и затрубное пространство скважины, а также рас- творением в воде. Интенсивность утечек была рассчитана для следующего ти- пового графика работы водоносного газохранилища: - t1= 122 дня закачки (1 июня – 30 сентября, 200 млн. м3), - t2=61 сут хранения (1 октября – 30 ноября), - t3=90 сут отбора (1 декабря – 28 февраля, 200 млн. м3), - t4=92 сут хранение буферного газа (1 марта – 31 мая). Утечки газа через затрубное пространство скважин могут быть рассчитаны по формуле a awg eg pp p P PP H S Q 2 22 , − µ κ = (4) где pκ и Sp – проницаемость и площадь затрубного пространства, 26104,8 pp ωκ −⋅= , pω – ширина сечения. Величину Sp можно определить как пло- щадь кольцевого зазора шириной pω вокруг скважины наружного радиуса r [9]. В период нагнетания Pg,w=Pw, в остальное время Pg,w=Pg, где Pg определяется по формуле (1). Расчеты показали, что интенсивность утечек при закачке дос- тигает 581,9 м3/сут, в остальное время составляет 151,4 м3/сут, что дает общий объем потерь 107,8 тыс. м3/год или 0,07% от среднего объема хранимого газа (150 млн. м3). Такие потери допустимы [1]. Объемный расход потерь газа через кровлю ПГХ на этапе закачки рассчи- тывается с учетом неравномерности давления в пласте и увеличения площади хранилища в плане ( ) ( ) ( ) drrtrvtQ tRg g ,2 0 1 ∫π= , (5) где скорость фильтрации газа gν через слой водонасыщенных глин мощно- стью Lc над кровлей пласта-коллектора определяется из выражения ( )ag cg c g PP L v − µ κ= (6) где κ с – проницаемость глин. Для этапа нагнетания газа допустимо принять квазистационарное распреде- ление давления в области rw< r < Rg. ( ) ( ) ( ) ( )wg w wbgwg rR rr PPPrP ln ln22 , 2 −+= (7) 82 "Геотехническая механика" Радиус области, занимаемой газом, можно приближенно оценить по закачи- ваемому объему и соответствующему увеличению площади газовой полости. Пренебрежение упругими эффектами при вытеснении воды дает несколько за- вышенную оценку Q1 из-за большего, чем в действительности, радиуса Rg. Этап хранения закачанного газа можно условно разделить на два периода: а) стабилизации давления и объемов газовой фазы; б) квазистационарного дина- мического равновесия. Продолжительность первого периода после завершения закачки можно оценить по критерию Фурье линеаризованного уравнения фильтрации газа 2l ta Fo = , ag aqg n P a µ κ = , (8) где κaq – проницаемость пласта, gµ – вязкость газа, gP – среднее давление в газовой полости; l – характерный горизонтальный размер области (например, радиус Rg). При Fo >1 происходит практически полная стабилизация процесса. В качестве среднего значения давления в полости при его неравномерном распределении по логарифмической зависимости (8) уместно взять среднее гармоническое или среднее геометрическое между Р с и Рw. Эти средние значе- ния составляют 3,42 и 3,6 МПа, поэтому можно принять gP = 3,5 МПа. Тогда, а = 0,7 м2/с для n а = 0,25 и а = 1,75 м2/с для n а = 0,1. Таким образом, стабилиза- ция наступит спустя небольшой промежуток времени t2a ≅ 2,1 cут для обоих значений n а . Интенсивность утечек в этот период можно определить по формуле ( ) ( )tvRtQ g 2 max1,2 π= (9) где скорость фильтрации газа вверх вычисляется по формуле (6) с учетом изменения давления от gP до Р с. В оставшееся до отбора время интенсивность утечек определяется по фор- мулам (6) и (9) при постоянной скорости gν , вычисленной при постоянном давлении в полости. Такой подход допустим, поскольку уменьшение объема га- за будет компенсироваться водой в условиях газогидростатического равнове- сия. При отборе газа необходимо поддерживать практически постоянный расход, близкий к среднестатическому значению Q3≈V0/t3. Соответствующее давление Pw на отбирающей скважине можно оценить на основании формулы притока га- за к скважине в стационарном радиальном потоке ( )wga wg g st rRP PPm Q ln 22 − µ κπ = , (10) Выпуск № 91 83 где R – радиус области, занятой газом. Из условия Q3≈Qst при Rmin<Rg<Rmax получим, что разность давлений wg PPP −=∆ должна быть в пределах 9-10 кПа. Это означает, что в рассматриваемом режиме отбора и последующего хранения оставшегося газа его давление будет близко к эквивалентному гидростатиче- скому Р с.. Сокращение горизонтальных размеров газовой полости будет происходить значительно медленнее по сравнению с ее расширением на этапе закачки, что объясняется малым градиентом давлений. Кроме того, основное понижение давления в этот момент приурочено к центральной части газовой области, а не к периферии, где газ вытесняется водой. Скорость фильтрации газа через вышележащий водоупор на этапе отбора и до закачки рассчитывается по формуле (6), а площадь, через которую фильтру- ется газ в течение этих этапов, уменьшается от anR2 maxπ до anR2 minπ . Поскольку фильтрация газа протекает на границе раздела фаз, то в уравне- нии (6) необходимо учитывать относительную фазовую проницаемость. Это соответствует уменьшению параметра κ приблизительно в 10-12 раз. Поэтому при расчетах вместо κ с =10–16 м2 использовалось значение 10–17 м2. При выполнении расчетов предполагалось, что утечки не оказывают суще- ственного влияния на распределение давления газа в ПГХ. Результаты расчетов утечек при минимальном и максимальных значениях активной пористости при- ведены в табл. 2. Таблица 2 – Оцениваемые потери газа в течение одного года эксплуатации ПГХ на территории Левенцовской структуры Продолжительность Q1, млн. м3 Q2, млн. м3 Период мес. сут всего за месяц всего за месяц 1) закачка 2) хранение 3) отбор 4) хранение буферного газа 4 2 3 3 122 61 90 92 1,31 0,81 1,19 0,91 0,328 0,405 0,396 0,303 0,52 0,32 0,48 0,37 0,13 0,16 0,16 0,123 1 – 4 (всего) 12 365 4,22 0,352 1,69 0,141 Q1 рассчитан при na, min, Q2 – na, mах Эксплуатация ПГХ может привести к вытеснению некоторого объема воды на границе рассматриваемого пласта. Объем активных пор в пласте в пределах геологических границ Левенцовской структуры радиусом 25 км оценивается в 2,36⋅1010 м3. Максимальный объем газохранилища составляет 11,54 млн. м3 или 0,05% объема пор пласта. Добавление такого объема в пласт может вызвать смещение стационарной границы раздела соленых и пресных вод на фронте фильтрации 10-20 км на 5-10 м. Такое продвижение ввиду своей незначитель- ности не приведет к ухудшению качества воды, отбираемой близлежащими во- дозаборами из продуктивных горизонтов. 84 "Геотехническая механика" Оценка напряженно-деформированного состояния горного массива при ак- кумулировании газа в водоносном пласте со схожими гидрогеологическими ус- ловиями была выполнена в работе [10]. На основании математического моде- лирования и стабилометрических испытаний было установлено, что в процессе закачки и отбора газа возникающие в пласте-коллекторе напряжения приводят к изменению его физико-механических свойств. В диапазоне давлений, приня- том для условий ПХГ на территории Левенцовской площади, установлено уве- личение объема водоносного пласта на 4%, его пористости на 1% и проницае- мости на 4%, что приведет к повышению эффективной ёмкости хранилища. При этом плотность пласта может уменьшиться на 2%, а адсорбционная актив- ность пород снизится на 1% . Данные результаты позволят более точно учиты- вать изменения фильтрационных свойств пластов-коллекторов при расчетах эксплуатируемых водоносных газохранилищ. Выводы. Проведенные расчеты показывают, что безвозвратные утечки газа в горно-геологических условиях Левенцовской площади на всех этапах экс- плуатации хранилища не превысят 3% объема аккумулируемого газа. Такой объем потерь в сравнении с мировым научно-практическим опытом работы во- доносных хранилищ является приемлемым и свидетельствует о технико- экономической целесообразности подземного хранения газа в данной геологи- ческой структуре. Обоснованный расчетным путем рабочий объем хранилища в 150 млн. м3 позволит частично сглаживать сезонную неравномерность газопо- требления в центральной Украине, не ухудшая при этом качество подземных вод в ближайших водозаборах. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 1. Aide-memoire de l'industrie du gaz. 4-me edition (1990) Association technique de l'industrie du gaz en France, Paris. 2. Бачурина Н.М. Экономическая эффективность создания и эксплуатации подземных хранилищ газа: – Автореферат дис. … канд. экон. наук: – М., 2002. – 28 с. 3. Collins E. (1961) Flow of Fluids through Porous Materials. Reynold, New York. 4. Bear J., Zaslavsky D., Irmay S. (1968) Physical principles of water percolation and seepage. UNESCO. Paris. 5. Пыхачев Г.Б., Исаев Р.Г. Подземная гидравлика.– М.: Недра. – 1972. 6. Чарный И.А. Подземная гидрогазодинамика. – М.: Гостоптехиздат. – 1963. 7. Инкин А.В. Гидродинамическая модель газохранилища в водоносных пластах Кривбасса // Сб. научн. тр. НГУ. – 2010. – № 34, Т. 2, – С. 216-221. 8. Лурье М.В. Механика подземного хранения газа в водоносных пластах. – М.: Нефть и газ. – 2001. 9. Виноградов К.В. Термические исследования скважин для оценки утечек и перетоков газа при его под- земном хранении. – Диссертация … канд. техн. наук: – М., 1983. 10. Садовенко И.А., Инкин А.В. Динамика гидромеханических процессов пласта-коллектора водоносного газохранилища // Науковий вісник НГУ. – 2010. – № 6. – С. 25-28.

Газогидродинамическая оценка параметров хранения газа в водоносном горизонте

Репозитарії

Схожі ресурси