Our journals
Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

OPERATIVE UNDERGROUND HELIUM-RICH GAS STORAGE

Research article
Khan S.A.
Skryabina A.S.
Bondarenko N.P.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.55.078
Issue: № 1 (55), 2017
Published:
2017/01/25
PDF

Хан С.А.1, Скрябина А.С.2, Бондаренко Н.П.3

1Кандидат технических наук, ПАО «Газпром»

2ORCID: 0000-0002-0109-872X, Аспирант, ПАО «ВНИПИгаздобыча», ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

3Кандидат физико-математических наук, Доцент, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

ОПЕРАТИВНОЕ ПОДЗЕМНОЕ ХРАНИЛИЩЕ ГЕЛИЙСОДЕРЖАЩЕГО ГАЗА

Аннотация

Одним из актуальных вопросов разработки уникальных месторождений гелийсодержащих газов Восточной Сибири и Дальнего Востока является вопрос извлечения и утилизации гелия. Гелий – невозобновляемый ресурс. Этот газ обладает гораздо меньшей плотностью и большей вязкостью, чем природный газ, а также крайне высокой проникающей способностью. Эти свойства обуславливают особенности его поведения в пласте-коллекторе после закачки. В частности, высокая проникающая способность накладывает повышенные требования на герметичность перекрывающей выбранный для хранения пласт-коллектор покрышки. В статье даны рекомендации по созданию оперативного подземного хранилища гелийсодержащего газа на базе неразработанного месторождения природного газа и проанализировано поведение гелия при закачке в пласт-коллектор, содержащий природный газ, в зависимости от его фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС).

Ключевые слова: гелий, гелиевый концентрат, подземное хранение гелия, концентрация гелия, распространение гелия.

Khan S.A.1, Skryabina A. S.2, Bondarenko N.P.3

1 PhD in Engineering, PJSC Gazprom

2 ORCID: 0000-0002-0109-872X, Postgraduate student, PJSC VNIPIgazdobycha, LTD Gazprom VNIIGAZ

3PhD in Physics and Mathematics, Associate professor, Korolev Samara National Research University

OPERATIVE UNDERGROUND HELIUM-RICH GAS STORAGE

Abstract

One important issue with the unique helium-rich gas deposits development in Eastern Siberia and the Far East is helium recovery and storage. Helium is a non-renewable resource. Compared with natural gas, helium has much lower density and higher viscosity as well as extremely high penetrability. These properties determine the features of helium behavior in a porous reservoir after injection. In particular, high penetrating power leads to high requirements for cap rock quality. The article provides recommendations on creation of operative underground helium-rich gas storages in undeveloped natural gas fields as well as analysis of helium behavior after injection into a natural gas reservoir depending on the reservoir properties (porosity and permeability).

Ключевые слова: helium, helium concentrate, underground helium-rich gas storage, helium concentration, helium spread in reservoir.

 

Гелий нашел применение во многих отраслях промышленности и народного хозяйства, и, согласно экспертным оценкам, потребление гелия в мире растет. Большая часть выявленных мировых запасов гелия сосредоточена в США, России, Алжире и Катаре [5, С. 79].

Со второй половины XX века и по сей день лидером на мировом рынке гелия являются США, положившие начало практике подземного хранения гелия (в составе гелиевого концентрата (ГК), 70% гелия) [6, С. 1], [7, С. 1], [8, С. 1]. Тем не менее, в 1996 году правительство приняло решение о приватизации резервов гелия, что привело к снижению его экспортных поставок из США [3, C. 50].

Россия располагает уникальными ресурсами гелия. В 2020 году планируется ввести в разработку Чаяндинское нефтегазоконденсатное месторождение, содержание гелия в продуктивных горизонтах которого варьируется от 0,44% до 0,601%. В 2024 году планируется ввести в разработку Ковыктинское газоконденсатное месторождение, содержание гелия в продуктивных горизонтах которого варьируется от 0,26% до 0,28% [2, С.2]. А в целом, согласно данным Геологической службы США, на балансе России по состоянию на 2015 год числится 1,7 млрд.м3 гелия [5, С. 79].

Таким образом, в перспективе, Россия сможет занять прочную позицию на международном рынке гелия, однако одним из необходимых условий этого является промышленное применение технологий крупномасштабного хранения этого ресурса. Могут быть реализованы различные по назначению и проектному сроку эксплуатации типы подземных хранилищ гелийсодержащего газа (ПХГГ):

  • долгосрочный – для хранения стратегического государственного резерва;
  • оперативный – для сглаживания неравномерности объемов производства гелия на газоперерабатывающем заводе;
  • временный – для хранения объемов пермеата (поток на выходе с установки мембранного выделения гелия [2, С. 3]), ГК или ГГ, полученных на установках подготовки газа.

В ряде работ рассматривался опыт создания и эксплуатации ПХГК Клиффсайд. ПХГК создано в частично выработанном месторождении природного гелийсодержащего газа (1,8%). Скважины, закачивающие ГК, расположены на своде купола Буш Доум, а отбиравшие ПГ – на удалении от свода и на периферии структуры. Особенность процесса создания ПХГК Клиффсайд состоит в совмещении процессов отбора пластового газа (ПГ) и хранения ГК. При этом темпы отбора ПГ на протяжении разработки месторождения определялись спросом на гелий. Это могло значительно повлиять на выявление инфильтрации гелием первой добывающей ПГ скважины, находящейся на расстоянии чуть более 600 м от ближайшей закачивающей ГК скважины, уже через 11 месяцев закачки. Через четыре года выявлено пять инфильтрованных гелием скважин, добывающих ПГ. Miles D. Tade, C. Kenneth Eilerts и Eudora F. Summer отмечают значительное превышение расчетных значений темпов распространения гелия в пласте над фактическими. В 2003 году при построении и адаптации цифровой трехмерной гидродинамической модели в рамках реализации программы приватизации государственного гелиевого резерва было установлено наличие высокопроницаемых пропластков, по которым происходила фильтрация гелия к забоям скважин, добывающих ПГ [6, С. 4], [7, С. 5], [8, С. 4].

Гелий обладает малой плотностью и крайне высокой проникающей способностью, в связи с этим требует тщательного выбора структура для его хранения. Наиболее предпочтительной является структура антиклинального типа, обеспечивающая большую сохранность по сравнению со структурами синклинального или моноклинального типов. Это связано с тем, что плотность гелия намного меньше средней плотности природного газа. В процессе гравитационной сегрегации гелий будет сосредотачиваться в прикровельной части пласта-коллектора, распространяясь на некоторую площадь. Таким образом, при закачке в синклинальную или моноклинальную структуры в силу их формы велика вероятность миграции гелия за пределы структуры. В отличие от антиклинальной структуры, что делает ее выбор для создания ПХГГ предпочтительным (рис. 1).

 image001  image002  image003
а б в
Синклинальная структура Моноклинальная структура

Антиклинальная структура

Рис. 1 – Направления движения гелия в пласте-коллекторе при закачке его составе ГГ.

При эксплуатации оперативного подземного хранилища гелийсодержащего газа (ОПХГГ) для соблюдения графика поставок гелия необходимо обеспечение отбора пластовой продукции с максимальным содержанием гелия, так как это позволит снизить затраты на его извлечение. При фиксированном количестве гелия концентрация гелия в пластовой продукции зависит от площади распространения. Размеры области распространения гелия в пласте-коллектора зависят от степени и характера неоднородности его ФЕС. Основным требованием к оптимальному режиму эксплуатации ОПХГГ является соблюдение графика производства товарного гелия при ограничениях на отбор, накладываемых со стороны величины пластовой энергии, текущего распределения гелия по объему пласта-коллектора и пропускной способности установки извлечения товарного гелия. Частным случаем является режим эксплуатации на полный отбор хранимого гелия, поэтому для ПХГГ, эксплуатируемых в любом режиме необходимо определение максимально возможного коэффициента отбора гелия.

Следующим крайне важным моментом при создании ПХГГ является установление герметичности перекрывающей пласт-коллектор покрышки. С этой точки зрения, обоснован выбор для хранения пласта-коллектора, вмещающего природный газ с промышленным содержанием гелия. В этом случае, герметичность покрышки проверена на протяжении всего времени существования залежи. В России такие объекты встречаются редко в отличие от США (Клиффсайд и др.) [4, 222].

Для установления герметичности покрышки по гелию необходимо использовать все имеющиеся возможности: региональный анализ, проведение сейсмической разведки для выявления существующих разломов, отбор представительных образцов керна из покрышки при проходке скважин и их лабораторные исследования, ГИС. На ПХГК Клиффсайд проводились опытные закачки чистого гелия для проверки герметичности покрышки [6, С. 2], [7, С. 2], [8, С. 2]. Необходим учет геомеханических процессов при разбуривании структуры. Герметичность покрышки может быть нарушена в процессе бурения при перераспределении геомеханических напряжений в породе [10, С.21]. В связи с этим, целесообразно снизить число вновь буримых разведочных, эксплуатационных, наблюдательных и др. скважин до возможного минимума, позволяющего достоверно установить изменчивость свойств покрышки по площади структуры. Для обоснования областей расположения скважин может быть применен метод палеоструктурного анализа [9, C. 14].

Для исследования фильтрационных процессов и параметров области распространения при закачке гелия в изотропный пласт-коллектор с непроницаемой покрышкой была создана одномерная математическая модель двухфазной фильтрации гелия в пласт-коллектор, насыщенный метаном. В основу модели положены фазовые уравнения неразрывности, уравнения движения и замыкающие соотношения (выражения 1-5) [1, С. 319]. В начальный момент времени известно распределение давления по протяженности пласта-коллектора. Влияние диффузионных процессов на параметры распространения гелия в пласте-коллекторе не учитывалось, поскольку их скорость значительно меньше, чем фильтрационных и за рассматриваемые временные периоды их влиянием можно пренебречь. Полученная система уравнений решалась конечно-разностным методом. Помимо этого исследования проводились на трехмерной сеточной модели с параметрами, аналогичными параметрам одномерной модели, и размером 500х500х12 м.

image004,                  (1)

при image005

image006,                                                  (2)

image007,                                 (3)

при image008

image006,                                                  (4)

image009,                                    (5)

image010 – координата, м; image011 – время, с; image012 – пластовое давление, МПа; image013 – концентрация гелия, д.ед.; image014 – концентрация природного газа, д.ед.; image015 – плотность гелия, кг/м3; image016 – плотность природного газа, кг/м3;  image017 – коэффициент вязкости гелия, мПа·с; image018 – коэффициент вязкости природного газа, мПа·с; image019 – пористость пласта-коллектора, д.ед.; image020 – коэффициент проницаемости пласта-коллектора, мД; image021 – ускорение свободного падения, м/с2; image022 – угол наклона пласта-коллектора к горизонтали, градусы.

Мощность соответствует мощности третьего продуктивного горизонта Адниканского ГМ. Отметка ГВК в третьем продуктивном горизонте отбита на а.о. «минус» 820 м, его мощность 12 м. Начальные термобарические, а также фильтрационно-емкостные параметры приняты по аналогии c третьим продуктивным горизонтом Адниканского ГМ (табл. 1, 2).

Таблица 1 – Основные параметры расчетных режима работы скважины

Вариант Время закачки, сут Нейтральный период, сут Дебит закачки, тыс.м3/сут Угол наклона пласта к горизонтали, градусы
1 20 30 50 0
2 20 30 50 0
3 20 30 50 0
4 20 30 50 5
5 20 30 50 5
6 20 30 50 5

Таблица 2 – Основные параметры модельного пласта

Вариант Начальная пластовая температура, °C Начальное пластовое давление, МПа Пористость, д.ед. Проницаемость (kx=ky=kz), мД
1 26 11 0,24 343
2 26 11 0,36 343
3 26 11 0,24 150
4 26 11 0,24 343
5 26 11 0,36 343
6 26 11 0,24 150

В таблице 3 приведены значения фронта распространения и зоны градиента концентрации гелия в пласте, полученные при расчете вариантов 1-6.

Таблица 3 – Результаты моделирования

Вариант Фронт распространения гелия в пласте, м Зона градиента концентрации гелия в пласте, м
1 196 35
2 143 35
3 177 35
4 194 30
5 143 30
6 178 30

Результаты расчетов на одномерной математической модели подтверждаются результатами моделирования закачки чистого гелия в условный пласт-коллектор с метановым насыщением и параметрами, аналогичными параметрам одномерной математической модели (рис. 2, 3). Трехмерное математическое моделирование выполнялось на базе программного комплекса Tempest MORE компании Roxar Software Solutions AS. Была реализована трехкомпонентная композиционная флюидальная модель для учета индивидуальных свойств гелия и метана и их зависимости от термобарических параметров пласта-коллектора.

Исходя из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

  • повышение пористости и снижение проницаемости приводят к уменьшению фронта распространения гелия в пласте-коллекторе;
  • увеличение угла наклона крыльев антиклинальной структуры не приводит к изменению фронта распространения гелия в пласте-коллекторе;
  • увеличение угла наклона крыльев антиклинальной структуры приводит к уменьшению зоны градиента концентрации гелия в пласте-коллекторе;
  • значение фронта распространения гелия в пласте-коллекторе не зависит от угла наклона крыльев антиклинальной структуры и определяется значением ФЕС пласта-коллектора.

image023

Рис. 2 – Распределение гелия в пласте-коллекторе по варианту 1 (1D модель).

image024Рис. 3 – Распределение гелия в пласте-коллекторе по варианту 1 (3D модель).

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

Разработанные математические модели подходят для оценки геометрических параметров распространения гелия в пласте-коллекторе при наличии минимальных исходных данных.

На параметры процесса распространения гелия при закачке в пласт-коллектор оказывают влияние следующие факторы:

  • тип геологической структуры;
  • значения ФЕС;
  • характер распределения ФЕС по объему пласта-коллектора;
  • фонд существующих скважин и их техническое состояние;
  • возможное возникновение нарушений покрышки вследствие влияния геомеханических процессов при бурении новых скважин и эксплуатации подземного хранилища.

Закачку целесообразно вести в прикровельную часть купольного поднятия антиклинальной структуры для предотвращения диссипации гелия по объему пористого пласта-коллектора при его миграции от более низких гипсометрических отметок к более высоким под действием фильтрационных сил или силы тяжести.

Для обеспечения устойчивой работы ПХГГ необходимо вести мониторинг динамики пластового давления с помощью глубинных манометров и содержания гелия на устье скважины на режиме отбора. Отслеживание динамики пластового давления и содержания гелия на устье скважины на режиме отбора необходимы для предотвращения превышения максимально-допустимого давления в структуре и контроля за распространением гелия в пласте-коллекторе. Помимо этого, создание ПХГГ накладывает жесткие требования на герметичность эксплуатационных скважин, которые призваны обеспечить устранение или сведение к минимальным значениям потери ГГ при эксплуатации ПХГГ.

Распространения гелия по обширной площади прикровельной части пласта-коллектора можно избежать при условии сохранения достаточного пластового давления на периферии областей влияния скважин для нагнетания ГГ. В этом случае остаточный природный газ исполняет роль «замка противодавления».

Список использованной литературы

  1. Басниев К.С. Подземная гидромеханика / К.С. Басниев, Н.М. Дмитриев, Р.Д. Каневская, В.М. Максимов; под общ. ред. К.С. Басниева. – 2-е изд. – М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2006. – 488 с.
  2. Милованов С.В. Разработка и внедрение инновационных технологий извлечения гелия из природного газа / Милованов С.В., Кисленко Н.Н., Тройников А.Д. // Научный журнал Российского газового общества. – 2016. – №2. – С.10-17.
  3. Хан С.А. Подземное хранение гелия / С.А. Хан, А.И. Игошин, В.А. Казарян, А.С. Скрябина, В.Б. Сохранский. – М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2015. – 272 с.
  4. Якуцени В.П. Геология гелия / В.П. Якуцени – Л.: Недра, 1968. – 232 с.
  5. S. Geological Survey, 2016 [Электронный ресурс] / Mineral commodity summaries 2016. U.S. Geological Survey. – 2016. – 202 p. – URL: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/mcs/2016/mcs2016.pdf (дата обращения: 10.07.2016).
  6. Kenneth C. E. Computing the Movement of Injected Raw Helium in Bush Dome Reservoir / Kenneth C. E. Eudora F. S. // Journal of Petroleum Technology. – 1963. – Vol.1. – P.16–22. doi: 10.2118/3435-PA.
  7. Charles W. W. Optimizing Helium Gas Recovery: A Compositional Dual Porosity Reservoir Simulation Study of the Bush Dome Helium Storage Reservoir / Charles F.Tuba A. Albertoni. // SPE Conference Paper «SPE Annual Technical Conference and Exhibition» – Denver: Society of Petroleum Engineers, 2003. – P.1-12. doi: 10.2118/84085-MS.
  8. Miles D. T. Helium Storage in Cliffside Field / D.T. Miles // SPE Journal Paper. – 1967. – Vol.7. – P.885-895. doi: 10.2118/1624-PA.
  9. Хан С.А. Совершенствование метода палеоструктурного анализа для повышения эффективности эксплуатации нефтегазовых месторождений и ПХГ: монография / С.А. Хан, А.Н. Давыдов. – М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2013. – 136 с.
  10. Калиниченко И.В. Экспериментальное моделирование изменения деформационных и емкостных свойств пористых коллекторов в связи с эксплуатацией подземных хранилищ газа : дис. … канд. г.-м. наук : 25.00.08 : защищена 11.12.09 : утв. 17.06.10 / Калинченко Ирина Владиславовна. – М: МГУ., 2008. – 208 с.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Basniev K.S. Podzemnaja gidromehanika [Underground hydromechanics] / K.S. Basniev, N.M. Dmitriev, R.D. Kanevskaja, V.M. Maksimov; pod obshh. red. K.S. Basnieva. – 2nd edition. – M.-Izhevsk: Institut komp'juternyh issledovanij, 2006. – 488 p. [in Russian].
  2. Milovanov S.V. Razrabotka i vnedrenie innovacionnyh tehnologij izvlechenija gelija iz prirodnogo gaza [Development and implementation of innovative technologies of helium extraction from natural gas] / Milovanov S.V., Kislenko N.N., Trojnikov A.D. // Nauchnyj zhurnal Rossijskogo gazovogo obshhestva [Scientific journal of the Russian Gas Society]. – 2016. – №2. – S.10-17. [in Russian].
  3. Han S.A. Podzemnoe hranenie gelija [Underground storage of helium] / S.A. Han, A.I. Igoshin, V.A. Kazarjan, A.S. Skrjabina, V.B. Sohranskij. – M.-Izhevsk: Institut komp'juternyh issledovanij, 2015. – 272 p. [in Russian].
  4. Jakuceni V.P. Geologija gelija [Helium geology] / V.P. Jakuceni – L.: Nedra, 1968. – 232 p. [in Russian].
  5. S. Geological Survey, 2016 [Jelektronnyj resurs] / Mineral commodity summaries 2016. U.S. Geological Survey. – 2016. – 202 p. – URL: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/mcs/2016/mcs2016.pdf (data obrashhenija: 10.07.2016).
  6. Kenneth C. E. Computing the Movement of Injected Raw Helium in Bush Dome Reservoir / Kenneth C. E. Eudora F. S. // Journal of Petroleum Technology. – 1963. – Vol.1. – P.16–22. doi: 10.2118/3435-PA.
  7. Charles W. W. Optimizing Helium Gas Recovery: A Compositional Dual Porosity Reservoir Simulation Study of the Bush Dome Helium Storage Reservoir / Charles F.Tuba A. Albertoni. // SPE Conference Paper «SPE Annual Technical Conference and Exhibition» – Denver: Society of Petroleum Engineers, 2003. – P.1-12. doi: 10.2118/84085-MS.
  8. Miles D. T. Helium Storage in Cliffside Field / D.T. Miles // SPE Journal Paper. – 1967. – Vol.7. – P.885-895. doi: 10.2118/1624-PA.
  9. Han S.A. Sovershenstvovanie metoda paleostrukturnogo analiza dlja povyshenija jeffektivnosti jekspluatacii neftegazovyh mestorozhdenij i PHG: monografija [Improving the method of paleostructural analysis for increasing operational efficiency of oil and gas fields and underground gas storage: monograph] / S.A. Han, A.N. Davydov. – M.: Gazprom VNIIGAZ, 2013. – 136 p. [in Russian].
  10. Kalinichenko I.V. Jeksperimental'noe modelirovanie izmenenija deformacionnyh i emkostnyh svojstv poristyh kollektorov v svjazi s jekspluataciej podzemnyh hranilishh gaza. [Experimental modeling of changes deformational and capacitive properties of porous reservoir related to exploatation of underground gas storage] : dis. … of PhD in Geology and Mineralogy : 25.00.08 : defense of the thesis 11.12.09 : approved 17.06.10 / Kalinchenko Irina Vladislavovna. – M: MGU., 2008. – 208 p. [in Russian].