АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Научные основы регулирования и контроля количества газа в пористых пластах подземных хранилищ
Михайловский Александр Артемович
Общая характеристика работы
Актуальность темы
Использование подземных хранилищ газа в пористых пластах является одним из основных способов обеспечения надежности газоснабжения, повышения гибкости поставок газа потребителям и эффективности реализации газа внутри страны и за рубежом.
Общее количество газа в пористых пластах подземных хранилищ страны составляет около 30% от годового уровня потребления и экспорта газа. В общем количестве газа на подземных хранилищах на долю активного объема газа приходится примерно 58% и на долю буферного объема газа - 42%. подземный хранилище газ пласт
Газовая отрасль страны характеризуется падением добычи в традиционных регионах и необходимостью освоения новых месторождений во все более усложняющихся горно-геологических и природных условиях, диверсификацией внутренних и экспортных потоков газа, старением действующей системы газопроводов. Указанные особенности газовой отрасли на фоне либерализации внешнего и внутреннего газового рынков диктуют необходимость дальнейшего развития системы подземных хранилищ газа в пористых пластах.
Важнейшим направлением работ по повышению эффективности и безопасности сооружения, расширения, циклической эксплуатации, консервации и ликвидации, а также надежности функционирования подземных хранилищ газа в пористых пластах является совершенствование и разработка методов и технологий регулирования и контроля количества газа в пласте. Эту задачу можно успешно решить, опираясь на научно-методическую базу.
Поэтому создание научных основ регулирования и контроля количества газа в пористых пластах подземных хранилищ является, безусловно, актуальной темой исследований.
Целью работы является разработка теоретических и методических основ регулирования и аналитического контроля количества газа в пористых пластах подземных хранилищ в водоносных пластах, истощенных, частично выработанных и неразрабатываемых газовых месторождениях для обеспечения безопасности и повышения эффективности их сооружения, расширения, циклической эксплуатации, консервации и ликвидации, а также надежности функционирования.
Основные задачи исследований
1. Разработка классификации подземных хранилищ газа в пористых пластах, позволяющей уточнять особенности применения методов регулирования и аналитического контроля количества газа в пластах разного геологического строения в зависимости от занимаемого “положения” и прогнозируемых технологических показателей подземного хранилища в создаваемой классификации.
2. Исследование гистерезисных явлений двухфазной фильтрации газа и воды в процессе их многократно чередующегося вытеснения в гидрофильных пористых средах.
3. Дифференцирование общего и буферного объемов газа в неоднородных пористых пластах подземных хранилищ при водонапорном режиме и изучение затрат закачиваемого газа в объекты хранения на создание и поддержание буферного объема газа.
4. Упорядочение разных по сложности гидродинамических моделей пористых пластов подземных хранилищ газа с целью адекватного их использования при решении задач регулирования и контроля количества газа в пластах разного строения на всех этапах функционирования хранилищ.
5. Исследование условий обеспечения стабилизации и многолетней установившейся циклической эксплуатации искусственных газовых залежей в пористых пластах подземных хранилищ при водонапорном режиме.
6. Разработка технологических методов регулирования количества газа в малоамплитудных ловушках водоносных пластов подземных хранилищ с активными водами.
7. Разработка аналитических методов контроля количества газа в пористых пластах подземных хранилищ на основе геологического и гидродинамического моделирования и статистических подходов.
Научная новизна
Разработана система критериев для классификации подземных хранилищ газа в пористых пластах по комплексу наиболее важных географических, геологических, технологических и технико-экономических признаков: расположению, функциям и назначению в Единой системе газоснабжения; используемым объектам хранения, их горно-геологическим условиям и особенностям геологического строения; основным технологическим режимам циклической эксплуатации по производительности закачки и отбора газа; объему активного газа и максимальной суточной производительности закачки и отбора и масштабу области “влияния”, включающей определенные потребители, участки систем магистральных газопроводов и предприятия газодобычи.
Установлены закономерности процесса многократно чередующегося вытеснения воды и газа в гидрофильных пористых средах, обнаружен и изучен эффект гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости. Разработаны принципы рационального гидродинамического моделирования пористых пластов подземных хранилищ газа. На основе выполненного параметрического анализа выявлены геологические, гидродинамические и технологические факторы, оказывающие основное влияние на процессы стабилизации и многолетней установившейся циклической эксплуатации искусственных газовых залежей подземных хранилищ.
Введены новые понятия, позволяющие дифференцировать общий и буферный объемы газа в неоднородных пористых пластах на составляющие, принимающие разное участие в фильтрационных процессах при закачке и отборе газа, и исследовать затраты закачиваемого газа в объекты хранения на создание и поддержание пластовых составляющих буферного объема. Разработаны статистические балансово-объемный и объемно-гидродинамический методы контроля количества газа в пористых пластах для оценки и учета случайных и систематических ошибок, возникающих при определении количества газа объемным и гидродинамическим методами, базирующимися на геологической и гидродинамических моделях пласта.
Защищаемые положения
1. Классификация подземных хранилищ газа в пористых пластах.
2. Исследование эффекта гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости в процессе многократно чередующегося вытеснения воды и газа в гидрофильных пористых средах.
3. Дифференцирование общего и буферного объемов газа в неоднородных пористых пластах подземных хранилищ при водонапорном режиме и исследование затрат закачиваемого газа в объекты хранения на создание и поддержание буферного объема газа в пласте.
4. Разработка иерархической структуры гидродинамических моделей пористых пластов подземных хранилищ газа.
5. Обоснование условий стабилизации и многолетней установившейся циклической эксплуатации искусственных газовых залежей в пористых пластах подземных хранилищ при водонапорном режиме.
6. Разработка комплекса аналитических методов контроля количества газа в пористых пластах подземных хранилищ, включающего объемный и гидродинамический методы, а также статистические балансово-объемный и объемно-гидродинамический методы контроля.
Практическая ценность
Разработаны математические модели, составлены алгоритмы и компьютерные программы для расчета оптимальных технологических показателей сооружения, расширения и циклической эксплуатации подземных хранилищ, регулирования и контроля количества газа в пористых пластах с учетом гистерезисных явлений двухфазной фильтрации в процессе многократно чередующегося вытеснения воды и газа. Проведенные исследования эффекта гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости повышают достоверность гидродинамических расчетов пористых пластов подземных хранилищ газа.
Разработан ряд методов и методик, использование которых позволяет уменьшать до оптимальных значений буферный объем газа в пористых пластах подземных хранилищ и снижать затраты закачиваемого газа в объекты хранения на создание и поддержание пластовых составляющих буферного объема газа.
В результате проведенных исследований автором разработаны методы и технологии регулирования количества газа в водоносных пластах для решения гидродинамических проблем создания и циклической эксплуатации “тонких” газовых залежей подземных хранилищ, связанных с “всплыванием” и активным “растеканием” газа в малоамплитудных структурных ловушках с активными пластовыми водами.
Основные разработанные технологии регулирования количества газа в водоносных пластах прошли успешную промышленную апробацию на ряде действующих подземных хранилищ. Результаты апробации показали, что в условиях сложившейся системы размещения эксплуатационных скважин и вскрытия пласта при водонапорном режиме газовой залежи наиболее эффективным является изменение технологического режима эксплуатации хранилища и регулирование режимами эксплуатации групп скважин (зонное регулирование закачки и отбора газа).
Проведенные в рамках диссертационной работы исследования способствуют решению актуальной задачи подземного хранения газа в пористых пластах, заключающейся в повышении технологической эффективности регулирования и контроля количества газа в пласте. Решение этой задачи позволяет обеспечивать безопасность сооружения, расширения, циклической эксплуатации, консервации и ликвидации и повышать надежность функционирования подземных хранилищ.
Апробация работы
Основные результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на отраслевых конференциях и совещаниях, научных семинарах, а также на международных конференциях и конгрессах, среди которых:
- Международная конференция “Разработка газоконденсатных месторождений”, 1990, Краснодар;
- Международная конференция и выставка “Подземное хранение газа”, 1995, Москва, РАО «ГАЗПРОМ»;
- Научно-технический совет ОАО «Газпром» “Современное состояние и перспективы совершенствования методов подсчета запасов газа по данным истории разработки”, 1999, Москва;
- Научно-практический семинар ОАО «Газпром» “Проблемы моделирования работы скважин и пластовых систем при создании и эксплуатации ПХГ в пористых пластах”, 2001, Москва;
- Международная конференция “ВНИИГАЗ на рубеже веков - наука о газе и газовые технологии”, 2003, Москва;
- Международная Исследовательская Газовая конференция, 2004, Ванкувер, Канада;
- Международная конференция ОАО «Газпром» “Подземное хранение газа: надежность и эффективность”, 2006, Москва;
- SPE Международная конференция “Подземное хранение природного газа - сегодня и завтра”, 2007, Краков, Польша;
- Вторая Международная конференция ОАО «Газпром» “ПХГ: Надежность и эффективность (UGS-2008)”, 2008, Москва;
- 24 мировой газовый конгресс, 2009, Буэнос-Айрес, Аргентина.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 2 научно-технических обзорах, 44 научных статьях (в т.ч. в 8-ми статьях в журналах, включенных в “Перечень ...” ВАК Минобрнауки РФ).
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников. Содержание работы изложено на 389 страницах машинописного текста, содержит 149 рисунков, 42 таблицы. Список использованных источников включает 242 наименования.
Диссертационная работа выполнена в Центре подземного хранения газа ООО «Газпром ВНИИГАЗ», сотрудникам которого автор выражает признательность за советы и помощь, оказанные при выполнении работы.
Особую благодарность и признательность автор выражает докт.техн.наук, профессору С.Н. Бузинову за помощь, советы и консультации при обсуждении основных положений диссертационной работы.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы исследований, определена цель работы, поставлены задачи исследований, дана научная новизна, сформулированы защищаемые положения, показана практическая ценность, приведены сведения о внедрении результатов исследований и апробации работы.
Большой вклад в теоретические основы подземного хранения газа в пористых пластах внесли О.Е. Аксютин, П.Я. Алтухов, А.Е. Арутюнов, Д.И. Астрахан, А.В. Баранов, Г.И. Баренблатт, К.С. Басниев, С.Н. Бузинов, С.А. Варягов, Ю.Н. Васильев, А.М. Власов, П.А. Гереш, О.Н. Грачева, А.В. Григорьев, А.И. Гриценко, Э.Л. Гусев, Н.М. Дмитриев, Н.А. Егурцов, В.М. Ентов, Ю.В. Желтов, С.Н. Закиров, В.В. Зиновьев, Г.А. Зотов, А.П. Зубарев, Ю.К. Игнатенко, А.И. Киселев, А.Л. Козлов, С.В. Колбиков, Ю.П. Коротаев, И.Н. Кочина, Л.Г. Кульпин, Е.В. Левыкин, М.В. Лурье, В.М. Максимов, Е.М. Минский, Ю.А. Мясников, В.И. Парфенов, Б.А. Резник, Н.В. Савченко, О.Г. Семенов, Н.К. Смирнов, Г.И. Солдаткин, П.В. Страдымов, Р.М. Тер-Саркисов, С.И. Трегуб, М.В. Филинов, С.А. Хан, А.Л. Хейн, Г.П. Цыбульский, И.А. Чарный, Е.В. Шеберстов, А.И. Ширковский, В.Н. Щелкачев, Д.А. Эфрос и многие другие, а также зарубежные исследователи С. Баклей, Г. Ботсет, Р. Виков, Л. Дуглас, Ф. Карлсон, Д. Катц, Ж. Киллоу, К. Котс, М. Леверетт, К. Ленд, М. Тек и другие.
В первой главе рассмотрены вопросы классификации подземных хранилищ газа в пористых пластах.