Подземное хранилище газа в пористом пласте рассматривается как горнотехническое предприятие, предназначенное для закачки, хранения и отбора газа, которое состоит из горного отвода недр, фонда скважин разного назначения и объектов обустройства станции подземного хранения газа. Горный отвод недр включает объект хранения газа с искусственной газовой залежью (возможно несколько объектов хранения с несколькими залежами).
В функционировании подземных хранилищ газа в пористых пластах выделено несколько последовательных этапов и соответствующих им периодов существования искусственных газовых залежей следующего назначения:
В диссертации разработана классификация подземных хранилищ газа в пористых пластах, входящих в Единую систему газоснабжения (ЕСГ). Классификация позволяет уточнять особенности применения методов регулирования и аналитического контроля количества газа в пластах разного геологического строения на разных этапах функционирования подземного хранилища в зависимости от его прогнозируемых технологических показателей и занимаемого “положения” в созданной классификации. В основу классификации подземных хранилищ газа положена система критериев и комплекс наиболее важных географических, геологических, технологических и технико-экономических признаков.
По разработанной классификации в системе подземных хранилищ газа в пористых пластах выделяются группы хранилищ по расположению, функциям и назначению в ЕСГ. Первая, традиционная и наиболее многочисленная, группа представляет “сеть” подземных хранилищ, находящихся вблизи потребителей в основных регионах газопотребления. Вторая группа включает “цепочки” подземных хранилищ, расположенных вдоль трасс в узловых точках систем протяженных магистральных газопроводов. Третья, нетрадиционная, группа, которую представляют подземные хранилища, находящиеся в районах газодобычи.
В соответствии с разработанной классификацией создаваемые на хранилищах первой группы запасы емкости и запасы газа совместно с дополнительными мощностями в транспорте и добыче используются для регулирования аномальной многолетней, сезонной, суточной и часовой неравномерности газопотребления в пределах областей “влияния” подземных хранилищ в системе газоснабжения. Создаваемые на них оперативные и долгосрочные резервы газа предназначены для компенсации и обеспечения чрезвычайных краткосрочных и долгосрочных снижений поставок и повышений спроса на газ. Запасы газа, создаваемые на подземных хранилищах второй группы, используются для регулирования сезонной и суточной неравномерности транспортировки газа по смежным участкам газопроводов, на “границе” которых они находятся. Резервы газа на этих хранилищах применяются для компенсации снижения расходов газа вследствие аварийного снижения пропускной способности участков газопроводов, находящихся непосредственно перед каждым хранилищем. Запасы и резервы газа на подземных хранилищах третьей группы используются для регулирования неравномерности и компенсации чрезвычайного снижения собственно добычи газа на промыслах газодобывающих районов.
В классификации по объектам хранения, их горно-геологическим условиям и особенностям геологического строения рассматриваются следующие виды подземных хранилищ газа - хранилища в водоносных пластах, сооружаемые на базе пластов-коллекторов водоносных горизонтов, и подземные хранилища в газовых месторождениях, сооружаемые на базе истощенных, частично выработанных и неразрабатываемых природных газовых залежей.
В разработанной классификации выделяются базисные, пиковые и газгольдерные типы подземных хранилищ по основным технологическим режимам по производительности закачки и отбора газа на наиболее важном этапе их циклической эксплуатации. Базисный тип хранилищ характеризуется технологическим режимом циклической эксплуатации в сезонах с небольшими отклонениями (увеличением или уменьшением в пределах 10-15%) суточной производительности закачки и отбора активного газа от ее среднемесячных значений. К пиковому типу относятся хранилища, для которых технологический режим циклической эксплуатации в сезонах характеризуется значительными приростами (свыше 10-15%) суточной производительности закачки и отбора в течение нескольких суток относительно ее среднемесячных значений. Газгольдерный (мультицикличный) тип хранилищ отличается технологическим режимом циклической эксплуатации в сезонах закачки и отбора газа со сменами направления в течение нескольких суток суточной производительности относительно ее среднемесячных значений (закачка-отбор-закачка или отбор-закачка-отбор).
Показано, что в ЕСГ подземные хранилища газа в водоносных пластах и газовых месторождениях используются как многофункциональные объекты. Они обеспечивают регулирование нескольких видов неравномерности и резервирование потребления, транспортировки и добычи газа. В результате “наложения” нескольких составляющих технологический режим эксплуатации таких подземных хранилищ оказывается “смешанным”, а сами подземные хранилища относятся к базисно-пиковому, базисно-газгольдерному или пиково-газгольдерному типу.
В созданной классификации выделяются разные типы подземных хранилищ по основным технико-экономическим показателям. В качестве таких показателей принимаются объем активного газа и максимальная суточная производительность закачки и отбора на этапе циклической эксплуатации в проектном технологическом режиме. Рассматриваются базовые (региональные) хранилища, осуществляющие регулирование неравномерности и резервирование регионов газопотребления, газотранспортных систем и районов газодобычи, и районные, “охватывающие” группы потребителей, участки газотранспортных систем и группы предприятий газодобычи. Кроме того, рассматриваются местные (локальные) хранилища, которые ограничиваются регулированием и резервированием отдельных потребителей, участков газопроводов и газодобывающих предприятий.
Активный газ подземного хранилища может включать следующие составляющие, показанные на рисунке 1 (на этом рисунке для сопоставления приводятся объемы газа в пласте, которые рассмотрены в главе 3): многолетние запасы емкости и запасы газа Qзап мнлет, сезонные запасы газа Qзап сез, суточные запасы газа Qзап сут, оперативный резерв газа Qрез опер, долгосрочный резерв газа Qрез долг.
На подземных хранилищах, сооружаемых в водоносных пластах, буферный газ состоит только из закачанного в объект хранения буферного газа. На подземных хранилищах, сооружаемых в газовых месторождениях, буферный газ может состоять из закачанного в объект хранения буферного газа, а также остаточных рентабельно извлекаемых запасов газа частично выработанного или неразрабатываемого месторождения.
В работе показано, как на основе разработанной классификации подземных хранилищ можно уточнять применение методов регулирования и аналитического контроля количества газа в пористых пластах разного геологического строения.
Рисунок 1 - Составляющие активного и буферного газа подземного хранилища и дифференциация общего и буферного объемов газа в пласте
Во второй главе представлены результаты анализа известных экспериментальных исследований относительных фазовых проницаемостей при однонаправленных и чередующихся процессах вытеснения воды и газа и исследование гистерезисных явлений двухфазной фильтрации в процессе их многократно чередующегося вытеснения в гидрофильных пористых средах.
Анализ показал, что подавляющее большинство экспериментальных исследований при стационарных и нестационарных режимах течения - Р. Викова, Г. Ботсета, П.Я. Алтухова, С.Н. Бузинова, И.В. Панфиловой, С.Г. Рассохина, Н.В. Савченко и др., по определению фазовых проницаемостей для газа и воды проведено при однонаправленных процессах вытеснения (рисунок 2). Эти исследования нацелены в основном на использование полученных результатов для решения задач разработки месторождений, когда насыщенность меняется монотонно во времени при преимущественно одном направлении вытеснения - газ водой.
В работе рассмотрен механизм изменения относительных фазовых проницаемостей в процессах однонаправленного вытеснения воды и газа в гидрофильных пористых средах, обуславливаемый действием капиллярных сил на распределение фаз в системе поровых каналов и структурой микропотоков каждой фазы, фильтрующейся по этой системе каналов.
Рисунок 2 - Зависимости относительных фазовых проницаемостей от насыщенности гидрофильных пористых сред для газа и воды в процессах однонаправленного вытеснения
С использованием зависимостей капиллярного давления при противоположных последовательностях насыщения - дренаже и пропитке (рисунок 3), показано различие относительных фазовых проницаемостей при разных направлениях вытеснения. Это различие проявляется в неравенстве значений пороговой “связной” насыщенности и минимальной остаточной насыщенности каждой фазы, а также значений проницаемости для одинаковых величин насыщенности. Показано, что в гидрофильных пористых средах наибольшее влияние капиллярное давление оказывает на изменение фазовых проницаемостей для газа, причем особенно значительно в области малых значений водонасыщенности.
Рисунок 3 - Зависимости капиллярного давления от насыщенности гидрофильных пористых сред при дренаже и пропитке
Получены аппроксимирующие зависимости относительных фазовых проницаемостей для газа и воды в однонаправленных процессах вытеснения. Как следует из результатов аппроксимации, классическое использование показательных функций позволяет наглядно представлять область определения этих функций. В тоже время использование показательных функций для аппроксимации относительной фазовой газопроницаемости при вытеснении воды газом приводит к значительным погрешностям. В этом случае применение полиномов дает лучшее приближение по сравнению с показательными функциями.
Анализ экспериментов Ф. Карлсона, Ж. Киллоу, К. Ленда по определению относительных фазовых проницаемостей в процессе чередующегося вытеснения воды и газа показал, что они отвечают условиям первичного дренажа и возвратной пропитки, соответствующим случаям сооружения подземных хранилищ газа в водоносных пластах. Эксперименты Р. Биетса, проведенные при первичной пропитке и возвратном дренаже, соответствуют случаям сооружения подземных хранилищ в истощенных или частично выработанных газовых месторождениях. Эти эксперименты показали на существование гистерезиса относительных фазовых проницаемостей при чередующемся вытеснении воды и газа, который обуславливается явлением капиллярного гистерезиса. Как показали указанные эксперименты, в наибольшей степени может проявляться гистерезис относительной фазовой газопроницаемости.
Согласно этим исследованиям в “предельных” циклах изменения насыщенности чередующегося вытеснения, когда насыщенность при каждом направлении вытеснения достигает максимально возможных значений и имеет место полный дренаж и полная пропитка, функции относительной фазовой газопроницаемости являются двузначными. В “непредельных” циклах, в которых насыщенность не достигает максимально возможных значений, функции относительной фазовой газопроницаемости оказываются многозначными зависимостями насыщенности.
В работе для изучения влияния гистерезиса относительных фазовых проницаемостей на процесс многократно чередующегося вытеснения воды и газа в гидрофильных пористых средах разработана математическая модель одномерной радиальной неустановившейся двухфазной фильтрации в однослойном осесимметричном (с центральным куполом) водоносном пласте. Указанная модель построена с использованием эффективного способа, не предусматривающего этапы составления и дискретизации дифференциальных уравнений, на которых требуется большое число условий по сходимости и устойчивости алгоритмов расчетов. Этот способ состоит в разбиении рациональной сеткой области моделирования на конечное число взаимосвязанных элементов. Для каждого элемента в алгебраическом виде составляются уравнения движения и сохранения. Полученные алгебраические уравнения преобразуются к системе линейных уравнений, а задача сводится к решению этой системы уравнения известными эффективными методами, например методом прогонки. При таком подходе созданные расчетные алгоритмы являются устойчивыми и экономичными.
В разработанной модели учитываются реальные свойства флюидов. Для расчета критической насыщенности захваченной фазы и относительной фазовой проницаемости на кривых сканирования в “непредельных” циклах чередующегося вытеснения воды и газа используется метод Киллоу. Расчет давления в водоносной области пласта проведен с использованием метода суперпозиций.
На основе проведенного анализа экспериментальных исследований относительных фазовых проницаемостей и многочисленных расчетных экспериментов на разработанной модели выявлены следующие закономерности чередующегося вытеснения воды и газа в гидрофильных пористых средах, обусловленные гистерезисом фазовых проницаемостей. Первая закономерность состоит в том, что при равных значениях перепада давления в пористой среде скорость фильтрации газовой фазы в случае вытеснения воды газом может существенно превосходить таковую при вытеснении газа водой. Наоборот, при одинаковой скорости фильтрации газовой фазы перепад давления в пористой среде в случае вытеснения воды газом может быть значительно меньше, чем при вытеснении газа водой. Вторая закономерность заключается в том, что при вытеснении воды газом за фронтом вытеснения образуется слабогазонасыщенная область подвижного связного газа, которая характеризуется значением насыщенности ниже уровня остаточной газонасыщенности. В результате смены направления вытеснения ранее связный газ в этой области может оказаться в рассеянном (дисперсном) состоянии в виде отдельных несвязных пузырьков в поровых капиллярах, а сама эта область стать областью неподвижного дисперсного газа. Третья закономерность состоит в том, что после смены направления вытеснения воды газом на вытеснение газа водой за фронтом вытеснения образуются две последовательно обводняемые области, в которых может оставаться неподвижный газ. Первая область дисперсного газа с насыщенностью ниже уровня остаточной газонасыщенности. Вторая область преимущественно защемленного газа в виде отдельных несвязных мульд в системе поровых капиллярных каналов с насыщенностью на уровне остаточной газонасыщенности. Четвертая закономерность проявляется в возможности образования при вытеснении газа водой за фронтом вытеснения слабоводонасыщенной области подвижной связной воды с уровнем насыщенности ниже остаточной водонасыщенности. В результате смены направления вытеснения остаточная вода в этой области переходит в неподвижное состояние.