Проведенный параметрический анализ влияния основных геологических, гидродинамических и технологических факторов на процессы стабилизации и многолетней установившейся циклической эксплуатации газовых залежей в пористых пластах подземных хранилищ при водонапорном режиме показал следующее.
Размеры структурной ловушки водоносного пласта оказывают решающее влияние на процессы стабилизации и установившейся циклической эксплуатации газовых залежей подземных хранилищ. Если размеры структурной ловушки водоносного пласта таковы, что ГВК не выходит за ее пределы, происходит стабилизация по годам средневзвешенного давления в газовой залежи и среднего давления в зоне расположения скважин. В случае ухода газа за пределы ловушки наблюдается совершенно иной механизм изменения давления в пласте. Падение давления в зоне расположения скважин связано с общим процессом падением давления в пластовой системе, что является результатом прекращения увеличения объема газа в пределах ловушки. При уходе значительных объемов газа за пределы ловушки расчетное давление в зоне расположения скважин может снизиться ниже нулевого уровня, и расчет дальнейшей циклической эксплуатации газовой залежи будет не возможным.
Увеличение амплитуды структурной ловушки водоносного пласта способствует ускорению стабилизации среднего давления в зоне расположения скважин при циклической эксплуатации газовой залежи подземного хранилища. При повышенной амплитуде ловушки достигаются более высокие значения средневзвешенной газонасыщенности в газовой залежи и зоне расположения скважин в конце сезона отбора.
Эксплуатация газовой залежи подземного хранилища в значительной степени зависит от гидропроводности (проницаемости) пласта. При низких значениях проницаемости пласта в газоносной части образуется значительная воронка депрессии. При заданном режиме закачки и отбора газа депрессионная воронка может увеличиваться настолько, что расчетное пластовое давление в зоне расположения скважин становится отрицательным и дальнейший расчет эксплуатация газовой залежи при этом режиме становится невозможным.
Единственным фактором, оказывающим позитивное влияние на компактное формирование газовой залежи подземного хранилища при ее создании, являются гравитационные силы, которые препятствуют распространению газа по пласту за пределы структурной ловушки. Гравитационные силы нивелируют перепады давления, вызванные фильтрацией флюидов. Влияние гравитационной составляющей перепада давления при вытеснении воды газом увеличивается с уменьшением скорости фильтрации и ростом проницаемости пласта. Расчеты показали, что снижение скорости фильтрации в 5 раз, за счет соответствующего увеличения периода создания газовой залежи, и повышение проницаемости пласта в 4 раза приводят более чем к 50% повышению средневзвешенной газонасыщенности и газонасыщенному поровому объему газовой залежи.
Темпы закачки буферного газа в процессе создания газовой залежи подземного хранилища в водоносном пласте в значительной степени обуславливают параметры и возможность ее многолетней стабильной циклической эксплуатации.
При медленном темпе закачки буферного газа газовая залежь в конце ее создания характеризуется повышенными значениями газонасыщенности пласта.
Главное различие вариантов по темпу закачки буферного газа заключается в том, что в случае форсированного темпа закачки объем ушедшего за пределы ловушки газа может увеличиться на столько, что последующая многолетняя циклическая эксплуатация газовой залежи станет невозможной. При медленном темпе закачки буферного газа, даже в случае ухода некоторого его количества за пределы ловушки, наблюдается стабилизация показателей циклической эксплуатации газовой залежи подземного хранилища.
В работе показано, что после закачки буферного газа период стабилизации средневзвешенного давления в газовой залежи в конце сезона закачки и сезона отбора с начала ее циклической эксплуатации может составлять 5-10 лет. Еще большей продолжительностью характеризуется процесс падения среднего давления в зоне расположения эксплуатационных скважин. При этом в случае низкой гидропроводности пласта стабилизация пластового давления в зоне расположения скважин может не наступить.
Если при закачке при повышенных давлениях газ уходит за пределы ловушки в водоносную область пласта, обратное полное его “возвращение” при отборе невозможно, поскольку при отборе подвижность газа исчезает при значениях газонасыщенности, существенно больше нулевой. Возникают пластовые потери газа. Происходит уменьшение по годам средневзвешенной газонасыщенности в газовой залежи. Так проявляется явление “гидродинамической смерти” хранилища (по терминологии профессора А.Л. Хейна). Это явление наблюдается при хранении газа в горизонтальных пластах, где циклическая эксплуатация газовой залежи подземного хранилища сопровождается необходимостью ежегодно превышать объем закачки над объемом отбора газа. Если пласт имеет локальный подъем за замком ловушки, пластовые потери газа, связанные с его уходом за пределы ловушки, будут выше.
Таким образом, если в горизонтальном водоносном пласте пластовые потери газа сравнительно небольшие, то “гидродинамическая смерть” подземного хранилища довольно условна. В водоносном пласте с локальным подъемом за замком ловушки пластовые потери газа возрастают на столько, что значительно опускается давление в зоне расположения скважин и не имеется возможности циклической эксплуатации газовой залежи подземного хранилища.
Оценку ежегодных пластовых потерь газа, связанных с его уходом за пределы структурной ловушки, можно условно проводить по величине расчетного превышения годового объема закачки над объемом отбора, при котором не происходит падение пластового давления в зоне расположения скважин. На эту величину необходимо ежегодно осуществлять дополнительную закачку газа для компенсации пластовых потерь с целью обеспечения стабильной циклической эксплуатации газовой залежи подземного хранилища. По расчетам ежегодные пластовые потери газа по причине его ухода за пределы структурной ловушки могут составлять до нескольких процентов от активного объема газа в пласте.
В условиях ограниченной структурной ловушки, когда ГВК выходит за ее пределы, с ростом величины активного объема газа увеличиваются годовые пластовые потери. Относительные годовые пластовые потери газа, представляющие отношение годовых пластовых потерь к активному объему газа, менее чувствительны к величине активного объема. Так, если с ростом активного объема в рассмотренных примерах в 1.5 раза годовые пластовые потери возрастают более чем в 3 раза, то относительные потери газа возрастают в этом случае всего на 4.3 %.
При ограниченной структурной ловушке с уменьшением общего объема газа в пласте пластовые потери газа, связанные с его уходом за пределы ловушки, уменьшаются. Относительные годовые пластовые потери газа, выражаемые отношением годовых пластовых потерь к общему объему, также уменьшаются, хотя менее интенсивно, чем абсолютные потери. С уменьшением в рассмотренных примерах общего объема газа в пласте на 35% годовые пластовые потери снизились в 9 раз, а относительные годовые пластовые потери - в 6 раз. При некотором общем объеме газа пластовые потери прекращаются, но при этом сокращается активный объем газа пропорционально снижению общего объема.
Варьируя размещением скважин, можно существенно улучшить условия эксплуатации газовой залежи подземного хранилища. Из рассмотренных вариантов системы центрального, промежуточного и равномерного размещения скважин только при равномерном размещении наблюдается стабилизация давления в зоне расположения скважин и установившаяся циклическая эксплуатация газовой залежи подземного хранилища. При другом размещении скважин установившейся циклической эксплуатации газовой залежи при заданных режимах не происходит. Равномерное размещение скважин характеризуется пониженной амплитудой изменения давления в зоне скважин. Однако такая система размещения скважин имеет некоторый недостаток при эксплуатации, связанный с тем, что скважины размещаются вблизи ГВК и имеется повышенная опасность их обводнения.
В диссертации показано, что уменьшение активного объема газа при сохранении соотношения активного объема к буферному объему приводит к прекращению падения по годам давления в зоне расположения скважин и наступлению установившейся циклической эксплуатации газовой залежи подземного хранилища. Увеличение “веса” буферного объема газа в его соотношении с неизменным активным объемом газа мало влияет на характер снижения давления в зоне расположения скважин и не позволяет стабилизировать циклическую эксплуатацию газовой залежи подземного хранилища.
Из результатов расчетов следует, что при отборе газа в окружающем водоносном бассейне происходит значительное дренирование пласта - вблизи ГВК и на некотором удалении от него давление существенно падает по сравнению с начальным гидростатическим давлением. Поэтому оттеснение воды из залежи хранилища начинается при давлениях ниже начального гидростатического давления. И, наоборот, перед отбором давление в окружающей водоносной системе в процессе предшествующей закачки возрастает по сравнению с начальным гидростатическим давлением. Поэтому поступление воды в газовую залежь начинается при давлении выше начального гидростатического давления.
Показано, что в процессе установившейся циклической эксплуатации газовых залежей подземных хранилищ при водонапорном режиме минимальный газонасыщенный поровый объем реализуется при давлении в залежи ниже начального гидростатического, а максимальный газонасыщенный поровый объем реализуется при давлении в залежи выше начального гидростатического давления.
Проведенные в диссертации исследования изменения давления (плотности газа в пластовых условиях) в зоне расположения скважин от объема газа в пласте при циклической эксплуатации газовой залежи подземного хранилища при водонапорном режиме показывают следующее. Использование рекомендаций для определения объема газа в пласте, которые основываются на утверждении, что “давления, при которых достигаются максимальное и минимальное значения газонасыщенного порового объема, должны быть одинаковыми и равными давлению на контуре питания”, приводит к значительным ошибкам. Пониженные оценки объема газа в пласте, получаемые по таким рекомендациям, можно объяснить “мнимыми” пластовыми потерями газа по причине якобы его ухода за пределы структурной ловушки. В связи с этим, такие рекомендации не могут быть использованы для определения объема газа в пласте, а лишь для качественной оценки состояния газовой залежи подземного хранилища.
Часто наблюдаемое в практике резкое снижение пластового давления в зоне расположения скважин связано, как правило, не с потерями газа в пласте по причине его ухода за пределы ловушки, а с наличием существенной воронки депрессии в пласте. Поэтому при современном уровне развития математического аппарата по гидродинамическому моделированию газовых залежей подземных хранилищ делать допущение об отсутствии воронок депрессии при регулировании и контроле количества газа в пористом пласте недопустимо.
Исследования изменения газонасыщенности на внешней границе газовой залежи при ее циклической эксплуатации показывают, что если газ не выходит за пределы ловушки, происходит полная стабилизация газовой залежи хранилища. При этом наблюдается следующее объяснимое явление - с ростом давления, т.е. при закачке газа, газонасыщенность в последней газонасыщенной ячейке уменьшается.
Результаты проведенных исследований дают основание полагать о возможности эксплуатации подземного хранилища при незначительном уходе газа за пределы структурной ловушки.
В подавляющем большинстве случаев фактические технологические режимы циклической эксплуатации подземных хранилищ газа по причинам, связанным в основном с условиями газопотребления и газоснабжения, не соответствуют проектным классическим однолетним циклам, при которых от цикла к циклу остаются неизменными объемы и графики расхода газа при закачке и отборе.
При газовом режиме газовой залежи изменение технологического режима эксплуатации подземного хранилища в каком-либо цикле, как правило, не оказывает большого влияния на показатели последующих циклов эксплуатации.
Проведенные в работе исследования показали, что отклонения от классического технологического режима циклической эксплуатации подземных хранилищ в ограниченной структурной ловушке водоносных пластов, особенно в условиях высокой гидропроводности (проницаемости), приводят к повышенному уходу газа за ее пределы и увеличению пластовых потерь газа. Неклассический технологический режим в таких условиях не позволяет вести многолетнюю установившуюся циклическую эксплуатацию газовой залежи подземного хранилища.
В шестой главе рассмотрены вопросы регулирования количества газа в пористых пластах подземных хранилищ при водонапорном режиме.
В работе проведен сопоставительный анализ соотношения между буферным и активным объемом газа в пласте на отечественных и зарубежных подземных хранилищах. Установлено, что в России отношение активного объема газа к буферному объему более высокое. Для подземных хранилищ, созданных в газовых месторождениях, это отношение в среднем составляет 139%. Для подземных хранилищ в водоносных пластах оно равно 87%.