На основе проведенных исследований процесса многократно чередующегося вытеснения воды и газа в гидрофильных пористых средах с учетом и без учета гистерезиса обнаружен и изучен эффект гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости. Эффект заключается в уменьшении газонасыщенности в области свободного газа и ее увеличении в приконтактной переходной области. Это приводит к своеобразному “размазыванию” в пласте закачиваемого газа, т.е. к значительно более широкому его распространению при одновременном снижении уровня газонасыщенности. Указанный эффект проявляется также в снижении репрессионной воронки давления в газонасыщенной области пласта при закачке газа и значительном увеличении депрессионной воронки давления и водного фактора при отборе газа. Увеличение депрессионной воронки давления происходит вследствие образования существенной по размерам области дисперсного газа. Образование дисперсного газа обуславливается изменением динамического состояния газа в приконтактной переходной области - из связного подвижного состояния при вытеснении воды газом он переходит в несвязное дисперсное (рассеянное) неподвижное состояние при вытеснении газа водой.
В исследованиях многократно чередующегося вытеснения воды и газа без учета гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости функция относительной фазовой газопроницаемости принималась одинаковой для дренажа и пропитки и равной, в одном случае, при первичном полном дренаже, во втором случае - при однонаправленной пропитке (что обычно принимается на практике). Сравнение результатов этих исследований по распределению газонасыщенности в пласте, некоторые из которых представлены на рисунке 4, показало, что эффект гистерезиса значительно занижается в расчетах с использованием функции относительной фазовой газопроницаемости при первичном полном дренаже. Эффект полностью исключается при использовании функции фазовой газопроницаемости однонаправленной пропитки.
Выполненный параметрический анализ эффекта гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости показал, что для случая первичного дренажа определяющим параметром эффекта гистерезиса является критическое значение газонасыщенности при возвратной полной пропитке. Степень проявления эффекта гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости как в условиях бесконечного, так и замкнутого водоносного пласта тем выше, чем больше это критическое значение газонасыщенности.
Расчеты показали, что эффект гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости приводит к снижению максимально возможного активного объема газа, значительному увеличению буферного объема газа в пласте и водного фактора при отборе газа, увеличению сроков создания газовой залежи хранилища.
Проведенными исследованиями показано большое значение и необходимость учета этого эффекта при разработке технологий регулирования и контроля количества газа в пористых пластах подземных хранилищ. Для учета гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости в гидродинамических расчетах требуется задавать для каждых коллекторов адресную комбинацию двух функций фазовых проницаемостей в “предельных” циклах. При этом в случае сооружения подземных хранилищ в водоносных пластах необходимо задавать функции относительной фазовой газопроницаемости первичного полного дренажа и возвратной полной пропитки, в случае сооружения подземных хранилищ в газовых месторождениях - первичной полной пропитки и возвратного полного дренажа.
Рисунок 4 - Распределение газонасыщенности в бесконечном водоносном пласте на конец сезонов закачки и отбора в 1-ом, 4-ом и 15-ом году с учетом гистерезиса фазовой газопроницаемости, без учета гистерезиса при использовании функции первичного полного дренажа и однонаправленной пропитки
В третьей главе приведены результаты работы по дифференцированию общего и буферного объемов газа в неоднородных пористых пластах подземных хранилищ при водонапорном режиме и исследованию затрат закачиваемого газа в объекты хранения на создание и поддержание буферного объема газа в пласте.
Введены новые понятия, термины и даны определения, позволившие дифференцировать общий и буферный объемы газа в неоднородных пористых пластах подземных хранилищ.
Рассмотрено понятие количества газа в пористом пласте в качестве определяющего технологического показателя подземного хранилища. Основными мерными характеристиками количества газа в пласте, как физической величины, приняты его значение, распределение по пластовым составляющим и динамическое состояние, определяемое участием его пластовых составляющих в фильтрационных массообменных процессах.
Показано, что использование термина “запасы” газа для обозначения всего количества газа в пористом пласте подземного хранилища вместо термина “количество” газа является некорректным в силу принципиальных различий по геологическим, технологическим и экономическим признакам понятий, обозначаемых этими терминами.
Введены понятия учетного и контролируемого количества газа в пласте на подземных хранилищах. За учетное количество газа в пласте принимается числящееся в нем количество по балансу газа на станции подземного хранения, в котором учитываются затраты газа на собственные технологические нужды. Контролируемым количеством газа в пласте считается количество газа, которое определяется с помощью применяемых методов контроля.
На основе исследований с использованием объемного метода выделены составляющие количества газа в пластах подземных хранилищ при водонапорном режиме. К пластовым составляющим количества газа относятся: свободный газ в необводненной области искусственной газовой залежи; остаточный газ в обводненной области газовой залежи; газ приконтактной переходной (слабогазонасыщенной) области; остаточный газ обводненной области месторождения (в случае сооружения подземного хранилища в крупном истощенном или частично выработанном газовом месторождении). Кроме того, пластовые составляющие могут быть представлены газом, адсорбированным горными породами, растворенным газом в остаточной воде в пределах газовой залежи и приконтактной переходной области, газом, растворенным и диффундированным в водоносную область пласта, переточным газом во вторичных залежах (в случае их образования).
Рассмотрены основные годовые объемные по газу технологические показатели сооружения, расширения и циклической эксплуатации подземных хранилищ - общий Vобщ , буферный (подушечный) Vб и активный (рабочий) Vа объемы газа в пласте (рисунок 1).
Под общим объемом газа в пласте в том или ином году понимается максимальный объем газа в пласте в течение года. На этапах сооружения и расширения подземного хранилища общий объем газа в пласте может увеличиваться по годам за счет наращивания закачиваемого буферного и активного газа. На этапе циклической эксплуатации подземного хранилища общий объем газа в пласте ограничен проектной максимальной величиной.
Под буферным (подушечным) объемом газа в пласте в том или ином году понимается объем газа в пласте в конце сезона отбора. На этапах сооружения и расширения подземного хранилища буферный объем газа в пласте увеличивается по годам за счет наращивания закачиваемого буферного газа. На этапе циклической эксплуатации подземного хранилища буферный объем газа в пласте ограничен проектной минимальной величиной.
Сформулированы основные технологические требования к общему и буферному объемам газа в пласте для обеспечения нормального сооружения, расширения и многолетней циклической эксплуатации подземного хранилища.
Под активным (рабочим) объемом газа в пласте понимается разность между общим объемом газа и буферным объемом газа в пласте по всем пластовым составляющим. Активный объем газа в пласте при соответствующей производительности фонда скважин и объектов обустройства станции подземного хранения обеспечивает объем активного газа подземного хранилища, включая все его составляющие. В газгольдерном режиме циклической эксплуатации подземного хранилища объем активного газа может значительно увеличиваться за счет многоцикличности закачки и отбора газа в течение года.
На основе анализа результатов гидродинамических расчетов и промысловых данных контроля циклической эксплуатации подземных хранилищ газа в пористых пластах обоснованы составляющие общего и буферного объемов газа в пласте при водонапорном режиме, дана оценка их возможного соотношения при закачке и отборе газа на хранилище.
В соответствии с проведенным анализом доминирующую часть (до 90 - 95 %) общего объема газа в пласте составляют свободный газ основной газовой залежи и газ в приконтактной переходной (слабогазонасыщенной) области. Основную часть буферного объема газа в пласте образуют свободный газ в необводненной области и остаточный газ в обводненной области газовой залежи, а также газ в приконтактной переходной области. Доля газа, адсорбированного горными породами пласта, и растворенного газа в остаточной воде оценивается не более 1 - 1.5 %. Ежегодное увеличение доли газа, растворенного и диффундированного в водоносную область пласта, может составлять 0.15 - 0.2 % от активного объема газа в пласте. В состав общего и буферного объемов газа в пласте, кроме того, может входить объем газа, ушедшего из основной газовой залежи и скопившегося во вторичных газовых залежах пласта. Доля этого газа в общем объеме газа в пласте в отдельных случаях может достигать несколько десятков процентов.
На примере зонально и слоисто неоднородных пластов проведены исследования особенностей аккумулирования при закачке и дренирования при отборе газа пластов подземных хранилищ. Показано, что высокие темпы, малая продолжительность и периодическая смена закачек и отборов газа при сооружении и циклической эксплуатации подземных хранилищ обуславливают существенное увеличение неравномерности аккумулирования и дренирования неоднородных пластов.
Аккумулируемую часть общего объема газа в пласте Vобщ ак (рисунок 1) представляют свободный газ основной газовой залежи и газ в приконтактной переходной области. Все остальные пластовые составляющие образуют неаккумулируемую часть общего объема газа в пласте Vобщ неак. Дренируемую часть общего объема газа в пласте Vобщ др образует только свободный газ основной газовой залежи, все остальные пластовые составляющие входят в недренируемую часть общего объема газа в пласте Vобщ недр.
Аккумулируемая часть буферного объема газа в пласте Vб ак включает свободный газ необводненной и остаточный газ обводненной области основной газовой залежи, а также газ в приконтактной переходной области. В неаккумулируемую часть буферного объема газа в пласте Vб неак входят все остальные пластовые составляющие. Дренируемая часть буферного объема газа в пласте Vб др представлена только свободным газом необводненной области основной газовой залежи. Все остальные пластовые составляющие образуют недренируемую часть буферного объема газа в пласте Vб недр.
Проведенные исследования показали, что при циклической эксплуатации подземных хранилищ в пористых пластах, дренируемые части общего объема газа и буферного объема газа в пласте существенно меньше их аккумулируемых частей.
По степени участия в фильтрационных газовых потоках выделены активно и пассивно аккумулируемые и дренируемые части общего Vобщ ак акт, Vобщ ак пас, Vобщ др акт, Vобщ др пас и буферного объемов газа в пласте Vб ак акт, Vб ак пас, Vб др акт, Vб др пас (рисунок 1). Активно аккумулируемые и дренируемые части объемов газа в пласте, сосредоточенные преимущественно в высокопроницаемых участках пласта, с заметным (фиксируемым) изменением пластового давления участвуют в фильтрационных газовых потоках от скважин или к скважинам и обеспечивают основной вклад в регулирование пластового давления в районе расположения эксплуатационных скважин при закачках и отборах газа. Пассивно аккумулируемые и дренируемые части объемов газа в пласте, находящиеся в основном в низкопроницаемых и удаленных участках пласта, участвуют в работе системы скважин с отставанием во времени и оказывают второстепенное воздействие на регулирование пластового давления в районе расположения эксплуатационных скважин. Соотношение активно и пассивно аккумулируемых и дренируемых частей общего и буферного объемов газа в пласте зависит от пространственного распределения неоднородных участков пласта, уровня и соотношения их емкостных и фильтрационных свойств, темпов закачки и отбора газа в пласте, системы размещения эксплуатационных скважин и распределения расходов газа по ним.
Проведены исследования затрат закачиваемого газа в объекты хранения на создание и поддержание буферного объема газа в пласте.
Под затратами газа на создание буферного объема газа в пласте понимается объем закачиваемого в объект хранения газа на формирование пластовых составляющих буферного объема газа. Эти затраты осуществляются на этапах сооружения и расширения подземных хранилищ.