Принципы функционирования подземных хранилищ газа: подходящие методы для хранения природного газа

На первый взгляд, информация о конструкции подземных газовых хранилищ может показаться несущественной для обычного человека. Однако современное общество сильно зависит от «голубого» топлива, и каждому хотелось бы иметь уверенность, что поставки этого ресурса будут стабильными. Верно?

Каждый гражданин может ощутить спокойствие от осознания наличия подземных газовых хранилищ (ПХГ), ведь пока они заполнены, вопросы с газоснабжением не возникнут. Более подробно о том, как устроены эти хранилища и какие особенности хранения в них существуют, можно узнать из нашей статьи.

Конструкция подземных газохранилищ

В то время как владельцы частных домов для домашних нужд применяют газгольдеры, на уровне государства применяются совершенно иные методы хранения. Официально подземные газовые хранилища представляют собой комплексы инженерно-технических сооружений, предназначенных для закачки, сохранения и отбора «голубого» топлива. Эти хранилища содержат как наземные, так и подземные элементы.

К наземным компонентам относятся:

• газораспределительный пункт, который отвечает за распределение газового потока по различным технологическим линиям;
• компрессорный цех, где осуществляется подготовка газа (за счет повышения давления) к закачке в скважины;
• установки для очистки газа.

Подземные составляющие ПХГ включают: скважины, выработки и емкости. Особое внимание стоит уделить последнему элементу (емкости), так как именно от места хранения «голубого» топлива зависит конструкция газового хранилища.

Сегодняшние подземные газовые хранилища внешне напоминают промышленные комплексы, так как для обеспечения закачивания и отбора газа требуется мощное компрессорное и очистительное оборудование, которое обслуживается большим количеством специалистов.

Типы емкостей для хранения газа

Необходимо отметить, что газ, обладая одинаковой массой, занимает значительно большие объемы по сравнению с твердыми веществами. И поскольку его потребление превышает все мыслимые нормы, для хранения требуются соответствующие емкости.

Стоит сказать, что от использования наземных резервуаров для газа специалисты отказались более ста лет назад.

Это связано с тем, что для их обеспечения потребовалось бы:

• занять огромные территории под комплексы для хранения «голубого» топлива при низком давлении;
• использовать дорогие и потенциально опасные газгольдеры, предназначенные для высоких давлений.

По вине перечисленных недостатков выбор пал на подземные хранилища, которые представляют собой емкости, расположенные на значительных глубинах, зачастую от 300 до 1000 метров. Данные резервуары образованы природой.

В настоящее время инженеры успешно применяют 7 типов природных резервуаров для хранения газа:

• образованные в водонасыщенных пористых слоях;
• остаточные от выработки углеводов, таких как газ и нефть;
• созданные в отложениях каменной соли;
• образованные в выработках горных рудников;
• сформированные в прочных вечномерзлых грунтах;
• имеющие низкотемпературную льдопородную оболочку;
• признаки которых возникли в результате подземных ядерных взрывов.

Несмотря на множество возможностей, лишь первые четыре способа хранения газа выделяются практичностью. Остальные варианты являются лишь теоретическими.

Северо-Ставропольское ПХГ — самое крупное в мире, и запас газа, который там хранится, способен удовлетворить годовые потребности такой значительной страны, как Франция. Площадь хранилища составляет внушительные 680 км².

Проблемы с оставшимися тремя вариантами связаны с несколькими факторами:

• В мерзлых породах газ хотя и может храниться — об этом свидетельствуют несколько работающих хранилищ в северных регионах, однако объемы хранения там неподходящие для промышленного использования.
• Емкости, образованные от подземных ядерных взрывов, действительно могут использоваться для хранения значительных объемов газа, что подтверждено экспериментально, но, к сожалению, подобные места обычно находятся на удалении от населенных пунктов и коммуникаций.

Таким образом, упомянутые типы емкостей оказались непрактичными.

Хотя ПХГ и называются хранилищами, важно отметить, что их основная задача не заключается в долгосрочном хранении газа. Полученное в них топливо зачастую используется для сглаживания колебаний в потреблении, которые могут происходить ежедневно, еженедельно или сезонно. Лишь на последнем месте подземные хранилища служат для компенсации форс-мажорных обстоятельств.

Давайте подробнее рассмотрим каждый метод подземного хранения газа.

Метод №1 — хранилища в водонасыщенных пластах

Эти хранилища предназначены для сглаживания сезонных колебаний в потреблении газа и формирования стратегических запасов.

Ключевая особенность таких хранилищ заключается в минимальном вовлечении человека, в основном это касается создания скважин, нужных для закачивания газа.

На карте России можно заметить, что ПХГ располагаются вблизи магистральных газопроводов и крупных населенных пунктов. Это не случайно: такие хранилища должны обеспечивать стабильность в потреблении газа, что обуславливает их расположение рядом с ключевыми объектами.

Эти емкости находятся в артезианских пластах, и хранилища создаются там, где порода обладает пористостью и проницаемостью. Остатки жидкости вытесняются газом, который сжимает ее и затем выбрасывает.

Сами емкости для хранения газа на самом деле таковыми и не являются. Вернее, их вовсе нет — местом хранения служат пустоты в пористых слоях. Процесс создания такого газового хранилища заключается в вытеснении части воды на края, чтобы освободить пространство для «голубого» топлива.

Для успешного осуществления вышеописанного процесса должны соблюдаться несколько условий:

• Пористый слой покрыт непропускаемой газом коркой, состоящей из обычно прессованных глин.
• Водоносный слой охватывает территорию на десятки километров, и лучше, если он соприкасается с поверхностью. Все это позволяет газу успешно вытеснять находящуюся в пласте воду.
• Длина купола достаточна для хранения значительных объемов газа.
• Пористость и проницаемость породы обеспечивают надлежащую вместительность газа и возможность его извлечения при необходимости.

Если хотя бы одно из условий не выполняется, создание подземного хранилища становится невозможным.

Принцип работы современных подземных газохранилищ достаточно прост. Рассмотрим это на примере крупных ПХГ, которые применяются для сглаживания сезонных колебаний.

В теплый период года в такие хранилища закачивается необходимый объем газа, который начинается отбор только с приходом отопительного сезона. При этом в магистральную трубу подается не неограниченное количество газа, а среднестатистические объемы, известные по результатам эксплуатации прошлых зим.

Если вдруг температура резко упадет и суточное потребление вырастет, крупное ПХГ не увеличивает объемы отбора. Недостаток будет покрыт небольшими хранилищами, предназначенными для сглаживания суточного и недельного потребления, так как оттуда проще и быстрее осуществить отбор.

Идеальными считаются емкости площадью от нескольких квадратных километров с разницей высот дна и купола в пределах 10-15 метров.

Преимуществом ПХГ в водонасыщенных слоях является высокая вместимость, а недостатком считается вероятность того, что геологи могут не выявить какого-либо важного аспекта во время изучения водоносного горизонта, что может привести к непригодности хранилища. Специфическим недостатком является то, что такие ситуации часто обнаруживаются лишь после значительных финансовых вложений в строительство инфраструктуры как наземной, так и подземной. Довольно часто возникают и меньшие проблемы, что в итоге ведет к серьезным незапланированным расходам при эксплуатации ПХГ в водоносных породах.

Метод №2 — емкости после выработки углеводородов

Инженерные структуры данного типа предназначены для сглаживания сезонных колебаний спроса на «голубое» топливо и формирования стратегических запасов.

Подземные хранилища ценятся благодаря своей экономической целесообразности в процессе создания и эксплуатации. Огромные наземные газгольдеры (представленные на фото) используемые, когда невозможно привлечь магистральные газопроводы с ПХГ. Кроме того, в емкостях, изображенных на фото, обычно хранится только сжиженный газ.

Конструкция таких хранилищ аналогична ПХГ в водонасыщенных слоях, так как топливо хранится в пустотах пористых пород.

ПХГ, образованные в горных породах, где ранее находились углеводороды, являются наибольшими в мире. Их доля достигает 70%, что объясняется рядом преимуществ.

Среди них можно выделить: большую вместимость и значительную экономию на разведку, создании инфраструктуры или хотя бы ее части, бурении — на стадии создания таких ПХГ уже проводилась добыча нефти и газа.

Важно понимать, что газгольдеры, находящиеся под землёй, не следует путать с подземными хранилищами. Они предназначены для совершенно иных целей, а подземное расположение служит лишь для повышения эффективности испарения сжиженного газа в условиях сильных морозов, при этом не требует дополнительных затрат. Кроме того, такой способ размещения газгольдеров помогает освободить пространство на приусадебном участке.

Однако, емкости, оставшиеся после извлечения углеводородов, нельзя назвать идеальными.

У этих хранилищ есть свои недостатки:

• проблемы с герметичностью старых скважин — особенно это касается площадей, где раньше добывали нефть;
• недостаточная проницаемость и пористость пород;
• возможное смешивание газа с остатками нефти, что может вызывать значительные убытки, поскольку полученную смесь использовать невозможно.

Также иногда в газе, добытом на нефтяных месторождениях, присутствует опасная примесь — сероводород. Этот газ ядовит и вреден для здоровья, а также вызывает коррозию металлических конструкций, включая нержавеющие.

Обеспечение работы подземных хранилищ газа (ПХГ) на истощённых месторождениях возможно благодаря тому, что, закачивая газ, он вытесняет остатки нефти из полезного пласта. Более того, как и вода, газ обладает свойством сжимаемости и мобильности, что делает процесс организации хранилищ более простым. Порой нефть под давлением газа оказывается не в породах, а поднимается вверх, создавая дополнительный источник дохода.

Вариант #3 — резервуары в отложениях каменной соли

Подобные хранилища газа помогают уравновесить суточные и недельные колебания его потребления, а также нивелируют сезонные колебания. Кроме того, они выступают в качестве резервного ресурса для важных потребителей.

Существуют два основных метода подземного хранения газа: в проницаемых пористых пластах и в кавернах, вымытых в соляных отложениях. Первый метод используется для создания крупных хранилищ, а второй — для решения локальных задач.

Процесс создания ПХГ включает в себя вымывание определенной части соляных отложений для формирования нужного объёма полости. Для этого предварительно бурят несколько скважин, через которые в течение продолжительного времени подаётся вода.

Хотя процедура создания таких хранилищ требует много времени и затрат, она оправдывает себя, так как сохранение природного газа происходит без потерь. Это связано с тем, что соляные пещеры обладают высокой герметичностью и имеют свойство самозаживления: трещины и другие незначительные дефекты быстро покрываются солевыми отложениями.

Преимущество таких подземных газохранилищ заключается в том, что отбор необходимого объёма топлива осуществляется практически без ограничения по скорости. Это намного быстрее, чем аналогичные операции в других типах емкостей. Кроме того, ПХГ, расположенные в соляных пещерах, имеют один из самых высоких коэффициентов отбора газа среди всех видов.

Порода, подходящая для хранения газа, должна быть проницаемой и вмещать значительные объемы топлива. Также структура пласта должна обеспечивать лёгкость вытеснения воды и нефтяных остатков.

Тем не менее, количество каверн в соляных отложениях составляет не более 2% от всех хранилищ.

На это влияет несколько негативных факторов:

• Наличие большого объёма солёной воды, образующейся после создания пещер для запаса газа. Если поблизости нет моря или перерабатывающих заводов, эта жидкость становится проблемой, что является причиной малого числа таких ПХГ.
• Сокращение полезного объёма при эксплуатации, вызванное испарением соли под высоким давлением и её скоплением в местах с более низким давлением.
• Появление в газе примесей, которые часто представляют собой остатки жидкости, использованной для вымывания пещер.
• Небольшие размеры, что затрудняет создание достаточных запасов.

Таким образом, соляные хранилища применяются в основном в регионах, где нельзя использовать другие типы емкостей.

Вариант #4 — ПХГ в горных выработках

Хотя размеры таких хранилищ небольшие, шведы и норвежцы хранят часть своих стратегических запасов газа именно в подобных емкостях.

ПХГ в горных выработках — это единственные полностью человеко-созданные газовые хранилища. В одной из шахт с помощью взрывов формируется емкость, которая затем укрепляется стальными листами.

Так выглядят соляные каверны, используемые для хранения газа. Они герметичны и надежны, но из-за ограниченных габаритов подходят только для создания небольших ПХГ, предназначенных лишь для локальных нужд. Например, в России из 27 действующих хранилищ лишь 2 являются соляными.

Несмотря на высокую скорость и процент отбора газа в ПХГ на заброшенных шахтах, их количество в будущем не будет значительно увеличиваться. Основная причина в сложности их постройки, что часто не удается добиться полной герметичности, что приводит к огромным убыткам.

Это происходит потому, что при эксплуатации шахты в неё стараются подвести максимальное количество воздуха, вместо чего создается система вентиляции с множеством выходов на поверхность, которые в процессе обустройства хранилища не всегда удается запечатать.

На сегодняшний день можно выделить лишь несколько успешных примеров использования газохранилищ в заброшенных шахтах (в Швеции, Норвегии, Германии).

Насколько герметичны хранилища?

Утечки газа — довольно частое явление, избежать которого невозможно из-за множества причин.

Для удобства их разделяют на три категории:

• геологические;
• технологические;
• технические.

К группе геологических причин относятся неоднородность оболочек ПХГ, наличие тектонических разломов, а также особенности гидродинамики и геохимии. Например, газ может мигрировать по слою, и специалисты не могут это предотвратить.

Технологические причины являются наиболее распространёнными, так как ошибки при оценке различных факторов происходят довольно часто. Например, ошибки в оценке эффективности гидроловушек, запасов газа или происходящих физико-химических процессов.

Часто для извлечения газа применяют бурение скважин, при этом технология бурения аналогична методам работы с газовыми или нефтяными залежами.

Технические причины чаще всего связаны с состоянием используемых скважин, через которые осуществляется подача газа.

Особенности создания ПХГ

В 95% случаев ПХГ создаются выдавливанием газом воды и остатков нефти из пористых пластов, что позволяет образовать «емкости» для хранения газа.

Главная особенность заключается в том, что газ, использовавшийся для выдавливания жидкостей, не может быть использован для поставок потребителям. Его основное предназначение — не допустить возвращения воды и остатков углеводородов на прежнее место; в противном случае хранилище просто утратит свою функциональность.

Таким образом, этот газ считается буферным. Обычно его объем составляет не менее половины от общего объема, закачанного в ПХГ, а в некоторых случаях буферного газа может быть втрое больше, чем активного газа, предназначенного для поставок.

Интересует, что предсказать количество буферного газа невозможно; это определяется исключительно экспериментально и, в большинстве случаев, может занять много времени. Однако, если полученный результат неудовлетворителен, буферный газ возможно полностью откачать.

Порядок заполнения хранилища

После того как геологи провели исследования и пришли к выводу, что в нужном месте возможно создание gas storage, газодобывающие компании начинают строительство инженерного комплекса.

Современные ПХГ считаются самым безопасным способом хранения газовых запасов. Однако частые утечки являются серьёзной проблемой для газовиков и экологов, которые считают такие случаи весьма значительными для экологии. Иногда это приводит к ситуациям, как на фото (где вдали виден пожар на одной из венгерских ПХГ).

Затем начинается закачка «голубого» топлива, которое подводится от ближайшего магистрального трубопровода. Оно поступает на специальную обработку, где от него очищают механические примеси.

Чистое топливо передается на пункт учета и замера. После этого оно направляется в компрессорный цех для компримирования — то есть подготовки газа к закачке в хранилище, что подразумевает увеличение давления до нужного уровня.

Затем газ транспортируется на газораспределительные пункты, где общий поток разделяется на несколько и направляется в разные технологические линии, откуда по системам направляется в скважины для закачивания.

На протяжении всего процесса специалисты следят за различными параметрами: давлением, температурой газа и производительностью каждой скважины.

Выводы и полезное видео по теме

Видео, приведённое ниже, посвящено теме разработки ПХГ, которые предназначены для сглаживания неравномерного потребления газа, который будет предоставляться газопроводом «Сила Сибири».

Хранилища газа, расположенные под землей, представляют собой наиболее эффективный и экономически целесообразный метод для сглаживания колебаний в потреблении газа и обеспечения его стабильной поставки в экстренных ситуациях. И самое удивительное, что за эту возможность мы должны благодарить не человечество, а саму природу, которая создала идеальные для этого геологические формации.

Если вы когда-либо участвовали в разработке подземных хранилищ газа и хотели бы дополнить представленный выше текст своими знаниями, либо заметили какие-либо неточности, пожалуйста, делитесь своими мнениями и комментариями — раздел для обратной связи находится ниже статьи.