На первый взгляд, информация о структуре подземных газовых хранилищ может показаться неактуальной для обычного человека. Однако, в условиях высокой зависимости общества от «голубого» топлива, у многих возникает желание быть уверенными в бесперебойности его поставок. Это вполне естественно.
Каждый гражданин может чувствовать себя более уверенно, зная о подземных газовых хранилищах (ПХГ) — пока они полны, проблем с обеспечением газом не должно возникнуть. Более подробно о том, как функционируют эти хранилища и какие особенности у процесса хранения, вы узнаете из нашей статьи.
Краткое содержание статьи
Устройство подземных газовых хранилищ
В то время как владельцы частных домов для хранения газа в быту используют газгольдеры, на уровне государства применяются совершенно иные системы. По сути, подземные хранилища газа представляют собой комплексы инженерных структур, предназначенные для закачки, хранения и отбора «голубого» топлива. Они состоят как из поверхностных, так и подземных элементов.
К поверхностным компонентам относятся:
- газораспределительные пункты, которые служат для распределения газа на несколько технологических маршрутов;
- компрессорные станции, где осуществляется подготовка топлива (подъем давления) для его закачивания в скважины;
- оборудование для очистки газа.
К подземным элементам ПХГ относятся: скважины, выработки и емкости. Наиболее интересен последний пункт (емкости), так как именно от места хранения «голубого» топлива зависит устройство самого газового хранилища.
Современные подземные газовые хранилища по своей внешности напоминают крупные промышленные предприятия. Это связано с тем, что для закачки и отбора газа требуется мощное компрессорное и очистительное оборудование, обслуживание которого требует участия сотен, а иногда и тысяч специалистов.
Обзор емкостей для хранения газа
При одинаковом весе газ занимает значительно больше пространства, чем твердые вещества. Поскольку он потребляется в огромных объемах, необходимо создавать специальные емкости для его хранения.
Специалисты еще век назад отказались от хранения газа в наземных резервуарах, изготовленных людьми.
Для этого потребовалось бы:
- оставить огромные площади на земле под комплексами для хранения «голубого» топлива под низким давлением;
- использовать дорогостоящие и потенциально опасные газгольдеры под высоким давлением.
В результате, чтобы избежать обозначенных недостатков, было выбрано использование подземных хранилищ, которые представляют собой емкости, расположенные на глубине от 300 до 1000 метров. Хранение топлива возможно в резервуарах, созданных природой.
Существуют семь типов природных резервуаров для хранения газа:
- образованные в водонасыщенных пористых слоях;
- остатки от добычи углеводородов, таких как газ и нефть;
- созданные в отложениях каменной соли;
- образованные в горных выработках;
- образованные в прочных вечномерзлых породах;
- с низкотемпературной льдопородной оболочкой;
- появившиеся после подземных ядерных взрывов.
Хотя существует множество вариантов, на практике лишь первые четыре метода хранения газа являются действительно эффективными, в то время как другие подходят лишь теоретически.
Северо-Ставропольское ПХГ является крупнейшим в мире и может удовлетворить постепенные потребности в газе таких крупных стран, как Франция, благодаря своей площади, составляющей 680 км².
Неэффективность оставшихся трех вариантов заключается в следующем:
- В вечномерзлых породах газ может храниться, что демонстрируют действующие хранилища на севере, но их объемы весьма ограничены, и с промышленной точки зрения они актуальны лишь локально.
- Емкости, возникшие после ядерных взрывов, могут служить для хранения значительных запасов газа, что было подтверждено на практике. Однако такие условия либо далеко от населенных пунктов, либо просто не обеспечивают требуемую инфраструктуру.
Таким образом, указанные резервуары фактически не пригодны для эксплуатации.
Несмотря на то что ПХГ называют хранилищами, их основная задача не сводится к сохранению газа. В большинстве случаев, газ, находящийся в таких хранилищах, используется для выравнивания потребления, которое может варьироваться по дням, неделям и сезонам. Лишь в последнюю очередь ПХГ создаются для устранения последствий различных форс-мажоров.
Теперь подробнее рассмотрим каждый из способов хранения газа в подземных условиях.
Вариант #1 — хранилища в водонасыщенных пластах
Такие хранилища разрабатываются для устранения сезонной неравномерности потребления газа и формирования стратегических резервов.
Ключевая особенность таких хранилищ заключается в минимальной вмешательстве человека, чаще всего на этапе бурения скважин для газозаправки.
На карте России видно, что ПХГ располагаются вблизи магистральных газопроводов и крупных городов. И это не случайно — хранилища должны обеспечивать стабильность газоснабжения, находясь в непосредственной близости к важным объектам.
Эти емкости ищут в артезианских пластах, где порода проницаема и пориста. Остатки жидкости вытесняются газом, который вначале сжимает, а затем выталкивает ее.
На практике, так называемые емкости для хранения газа не являются таковыми. В действительности их вообще нет — место для хранения — это пустоты в пористых слоях. Процесс создания газового хранилища состоит в вытеснении жидкости на периферию, чтобы освободить пространство для «голубого» топлива.
Чтобы выполнить эту процедуру, необходимо соблюдение ряда условий:
- Пористый проницаемый слой должен быть накрыт куполом из непроницаемых пород, например, глинистых;
- Водоносный слой должен простираться от границ хранилища на значительное расстояние, а лучше всего, чтобы он выходил на поверхность. Это позволяет газу эффективно вытеснять находящуюся в пласте жидкость;
- Протяженность купола должна быть достаточной для хранения больших объемов газа;
- Пористость и проницаемость породы должны обеспечивать нужную вместимость газа и его извлечение при необходимости.
Если хотя бы одно из условий не выполнено, создание подземного хранилища окажется невозможным.
Принцип работы современных ПХГ довольно прост. Это можно проиллюстрировать на примере крупных хранилищ, которые используются для устранения сезонных колебаний.
В теплое время года в них закачивают нужное количество газа, который начинают отбирать только по наступлению отопительного сезона. Причем в магистральный трубопровод направляется не колоссальное количество газа, а среднее, на основе данных предыдущих зим.
Если температура резко падет и суточное потребление увеличится, крупное ПХГ все равно не будет менять объемы отбора. Нехватку будут компенсировать маленькие хранилища, предназначенные для сглаживания суточного и недельного потребления, так как их обслуживать проще и быстрее.
Оптимальные размеры таких емкостей составляют несколько квадратных километров с разницей высот дна и верхней части купола в пределах 10-15 метров.
Преимуществом ПХГ в водонасыщенных пластах является их высокая вместимость. Однако недостатком становится тот факт, что геологи при исследовании водоносного горизонта могут не учесть какой-либо важный фактор, из-за чего хранилище окажется непригодным.
Проблема в том, что это часто выявляется только после значительных инвестиций в создание наземной и подземной инфраструктуры. Часто возникают и менее серьезные сложности, которые приводят к значительным непредвиденным расходам на эксплуатацию ПХГ в водоносных породах.
Вариант #2 — емкости после выработки углеводородов
Инженерные комплексы, относящиеся к данному типу, также предназначены для нивелирования сезонных колебаний потребления «голубого» топлива и создания стратегических запасов.
Подземные хранилища охотнее используются благодаря своей высокой экономической эффективности. Крупные надземные газгольдеры (изображенные на фото) применяются только в том случае, если невозможно подключиться к магистральным газопроводам с ПХГ. Эти емкости обычно используются исключительно для хранения сжиженного газа.
Конструкция хранилищ данного типа аналогична тем, что образованы в водонасыщенных слоях. То есть газ хранится в пустотах пористых пород.
Наибольшее количество ПХГ в мире создано именно в горных породах, где ранее находились углеводороды — их доля достигает 70%, что объясняется несколькими преимуществами.
Среди ключевых факторов — высокая вместимость и экономия на рытье, разведке, создании инфраструктуры или хотя бы ее части, так как на местах, где располагаются такие ПХГ, уже проводилась добыча нефти и газа.
Важно понимать, что газгольдеры, закопанные под землю, не следует рассматривать как полноценные подземные хранилища. Их основная цель состоит в решении других задач. Они вкапываются в землю только с намерением улучшить процесс испарения сжиженного газа в условиях сильных морозов, и это без каких-либо дополнительных затрат. Кроме того, такое размещение помогает сэкономить пространство на участке.
Тем не менее, назвать идеальными резервуары, оставшиеся после добычи углеводородов, нельзя.
У них имеется ряд недостатков:
- проблемы с герметичностью старых скважин, особенно в местах, где ранее находились нефтяные запасы;
- недостаточная пористость и проницаемость горных пород;
- возможность смешивания газа с остатками нефти, что может привести к большим убыткам, так как такую смесь нельзя использовать.
Кроме того, в некоторых нефтяных месторождениях газ может содержать опасные примеси сероводорода, которые негативно влияют на здоровье человека и разрушают металлические конструкции, включая нержавеющую сталь.
Использование подземных хранилищ газа, основанных на истощенных залежах углеводородов, возможно благодаря тому, что закачиваемый газ вытесняет остатки нефти. Газ, подобно воде, обладает свойствами сжимаемости и подвижности, что упрощает создание хранилищ. В некоторых случаях нефть под давлением газа поднимается вверх, что может стать дополнительным источником дохода.
Резервуары в отложениях каменной соли
Такие газовые емкости эффективно сглаживают дисбаланс в потреблении на течении дня и недели, а также помогают компенсировать сезонные колебания. Более того, хранилища в соляных пластах могут выступать как резервные источники для ключевых потребителей.
Существуют два основных метода подземного хранения газа: в проницаемых пористых пластах и в кавернах, вымытых из солевых залежей. Первый метод используется для создания больших хранилищ, второй же подходит для решения локальных задач.
Указанные хранилища создаются путем вымыва части солевых отложений с целью формирования необходимого пространства. Сначала бурят несколько скважин, через которые в течение длительного времени подается вода.
Хотя этот процесс может быть затратным и длительным, он оправдывает себя, поскольку хранение закачиваемого природного газа происходит без потерь благодаря высокой герметичности соляных пещер. Кроме того, они обладают эффектом самозаживления: тектонические трещины быстро заполняются солью.
Одним из преимуществ таких подземных газовых хранилищ является возможность быстрого отбора необходимого объема топлива. Скорость, с которой это происходит, значительно превышает такие же операции в других типах емкостей. Также стоит отметить, что ПХГ, расположенные в соляных пещерах, обладают одним из самых высоких процентов извлечения газа среди других типов хранилищ.
Горные породы, используемые для хранения газа, должны быть проницаемыми и иметь достаточно места для большого объема топлива. При этом структура пласта должна обеспечивать легкость вытеснения воды и остатков нефти.
Однако число каверн в соляных пластах составляет не более 2% от общего числа хранилищ.
Этот низкий показатель объясняется рядом факторов:
- Большое количество рассола после вымывания пещер для хранения газа. Если поблизости нет моря или заводов по переработке соли, образовавшаяся жидкость становится некуда девать. Это является основной причиной низкого числа таких ПХГ.
- Снижение полезного объема во время эксплуатации. Это происходит из-за испарения соли в местах с высоким давлением и накопления ее в областях с более низким давлением.
- Появление примесей в газе, часто представляющих собой остатки жидкости, использованной для вымывания пещеры.
- Небольшие объемы, что препятствует созданию запасов в достаточном количестве.
Поэтому соляные хранилища обычно применяются в тех местах, где другие типы емкостей не могут быть использованы.
ПХГ в горных выработках
Хотя объемы таких хранилищ невелики, шведы и норвежцы хранят часть своих стратегических запасов газа именно в таких резервуарах.
ПХГ в горных выработках представляют собой единственное газовое хранилище, полностью созданное руками человека. В одной из шахт при помощи взрывов формируется емкость, которая затем обшивается сталевыми листами.
Вот так выглядят соляные каверны, предназначенные для хранения газа. Они надежные и герметичные, однако их размеры ограничены, что делает их пригодными лишь для создания небольших ПХГ, в основном для решения локальных задач. В России из 27 действующих хранилищ всего 2 являются соляными.
Несмотря на экономические преимущества использования подземных хранилищ в заброшенных шахтах, их количество в будущем вряд ли значительно увеличится. Это связано с трудностями в их строительстве и достижении полной герметичности, что может привести к большим убыткам.
Проблема в том, что при эксплуатации шахт стараются подвести максимальное количество воздуха, что требует создания системы вентиляции с множеством выходов на поверхность. Не всегда возможно полностью их запечатать при создании хранилища.
Поэтому сейчас можно говорить лишь о нескольких успешных примерах реализации идей по хранению газа в заброшенных шахтах (в Швеции, Норвегии, Германии).
Герметичны ли хранилища?
Утечки топлива — это обычное явление, от которого невозможно полностью избавиться. Причины могут быть различными.
Для удобства их можно разделить на три категории:
- геологические;
- технологические;
- технические.
К геологическим причинам относятся неоднородности покрышек ПХГ, наличие тектонических разломов, а также специфические гидродинамические и геохимические свойства. Например, газ может естественно мигрировать по пласту, и на это фактически невозможно повлиять.
Технологические причины являются наиболее распространенными, ввиду частоты ошибок при оценке различных факторов, таких как работа гидроловушек, запасы газа и протекающие физико-химические процессы.
Нередко для доступа к необходимым пластам используют бурение скважин. Эта технология аналогична той, что используется для добычи газа или нефти.
Технические причины в основном связаны с состоянием работающих скважин, через которые осуществляется закачка газа.
Особенности создания ПХГ
В 95% случаев подземные хранилища газа формируются путем выдавливания водой либо остатков нефти из пористых пород, что позволяет создать «емкости» для хранения газа.
Основная особенность заключается в том, что газ, использованный для вытеснения жидкостей, не может быть использован для дальнейших поставок. Его цель состоит в предотвращении возвращения воды и остатков углеводородов на прежнее место, иначе хранилище утратит свою функциональность.
Таким образом, указанный газ считается буферным. Обычно его объем составляет не менее половины общего объема хранилища. В некоторых случаях буферного газа может быть в три раза больше, чем того, что предназначено для активных поставок.
Стоит отметить, что предварительно оценить количество буферного газа невозможно — этот параметр проверяется лишь экспериментально, что может занять годы. Однако, если результаты окажутся неутешительными, буферный газ можно извлечь полностью.
Порядок заполнения хранилища
После проведения геологических исследований в выбранном районе и принятия решения о создании газового хранилища газа, газодобывающая компания начинает строить инженерный комплекс.
Современные ПХГ считаются наиболее безопасным способом хранения запасов газа. Тем не менее, регулярные утечки составляют серьёзную проблему как для газовиков, так и для экологов, поскольку могут нанести вред окружающей среде. Примером такого ущерба может служить пожар, изображенный на фото (вдали виден огонь на одной из венгерских ПХГ).
Далее начинается процесс закачки в предстоящее ПХГ газа, который поступает по трубопроводу «Сила Сибири». Газ подводится к площадке очистки, где осуществляется удаление различных механических примесей.
Очищенное топливо направляется на пункт для учета и измерения. После этого оно поступает в компрессорный цех, где происходит компримирование, то есть подготовка газа к закачиванию в хранилище. Этот процесс включает в себя поднятие давления газа до необходимого уровня.
Затем газ транспортируется на точки распределения, где общий поток делится на несколько потоков и поступает в разные технологические линии, откуда он подается в скважины для закачки.
В течение всего процесса специалисты внимательно контролируют множество параметров, включая давление и температуру газа, а также эффективность каждой скважины.
Выводы и полезное видео по теме
Приложенное ниже видео посвящено теме создания подземных хранилищ газа, которые используются для сглаживания неравномерного потребления топлива, которое поставляется газопроводом «Сила Сибири».
Подземные хранилища для газа представляют собой самый эффективный и безопасный метод для сглаживания колебаний в потреблении газа, обеспечивая его надежную подачу даже в сложных обстоятельствах. Интересно, что природа, а не человеческая изобретательность, создала необходимые геологические формации для создания таких хранилищ.
Если у вас есть опыт в разработке подземных газовых хранилищ или вы хотите добавить свою точку зрения к уже изложенной информации, либо заметили ошибки в представленных данных, не стесняйтесь оставлять свои комментарии и предложения — раздел для обратной связи находится внизу страницы.
