Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

EXPERIENCE OF UNDERGROUND STORAGE OF HELIUM

Research article
Skryabina A.S.
DOI:
https://doi.org/10.18454/IRJ.2016.52.123
Issue: № 10 (52), 2016
Published:
2016/10/17
PDF

Скрябина А.С.

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

ОПЫТ ПОДЗЕМНОГО ХРАНЕНИЯ ГЕЛИЯ

Аннотация

Рассмотрен опыт США в области подземного хранения гелия в пористом пласте-коллекторе и законодательного регулирования в сфере хранения гелия. Приведен отечественный опыт подземного хранения гелия в подземных выработках в пластах каменной соли. Проанализированы основные задачи, связанные с сохранением и распределением гелиевых ресурсов, сосредоточенных в месторождениях углеводородов Восточной Сибири и Дальнего Востока. Даны рекомендации по их решению.

Ключевые слова: гелий, гелиевый концентрат, подземное хранение, подземное хранилище гелиевого концентрата Клиффсайд, США, Оренбургское подземное хранилище гелиевого концентрата.

Skryabina A.S.

ORCID: 0000-0002-0109-872X, Postgraduate student, OJSC VNIPIGAZDOBYCHA, LTD Gazprom VNIIGAZ

EXPERIENCE OF UNDERGROUND STORAGE OF HELIUM

Abstract

This paper describes the US experience in the area of helium underground storage of porous reservoir and legal regulation in the sphere of helium storage. Russian experience of helium storage in underground salt caverns is considered. The main problems related to the preservation and distribution of helium resources concentrated in hydrocarbons fields in Eastern Siberia and the Russian Far East are analyzed and recommendations for their solution are given.

Keywords: helium, helium concentrate, underground storage, Cliffside underground storage of helium concentrate, the USA, Orenburg underground storage of helium concentrate.

Гелий востребован во многих отраслях промышленности и народного хозяйства. В настоящее время для получения гелия в промышленных объемах его выделяют из природных газов, причем стоимость выделения обратно пропорциональна концентрации гелия в смеси. Содержание гелия в природном газе колеблется в пределах от сотых и тысячных до нескольких процентов. При разработке месторождений гелийсодержащих газов в комплекс задач входят извлечение гелия и организация его хранения. Именно такие задачи предстоит решить в процессе разработки уникальных месторождений гелиеносных газов Восточной Сибири (ВС) и Дальнего Востока. Среднее содержание гелия в пластовом газе Чаяндинского и Ковыктинского месторождений составляет, соответственно, 0,43-0,65% и 0,26-0,28% [1]. Чаяндинское и Ковыктинское месторождения являются сырьевой базой контракта на поставку природного газа в Китайскую Народную Республику (КНР). К началу промышленной разработки этих месторождений необходим ввод мощностей по выделению гелия. Основными препятствиями для этого являются малая доступность района, отсутствие опыта работы и инфраструктуры и логистической сети в данном районе.

Согласно данным Геологической службы США, Россия занимает четвертое место в мире по ресурсам гелия (табл. 1) [2].

Информация приведена без учета запасов недавно открытого в Танзании, единственного установленного в мире, месторождения гелия. Запасы гелия оцениваются в объеме порядка 1,5 млрд.м3 [3]. Вполне возможно, что широкое применение поискового метода внесет существенные изменения в мировой баланс гелия.

Таблица 1 – Запасы гелия в мире

Страна Ресурсы гелия, млрд. м3
США 20.6
Катар 10.1
Алжир 8.2
Россия 6.8
Канада 2
Китай 1.1
 

По прогнозам ФГУП «Всероссийский нефтяной научно-исследовательский геологоразведочный институт», опубликованным в 2010 году, мировая потребность в гелии будет расти (рис. 1) [4].

13-10-2016-11-40-22

Рис. 1 – Мировая потребность в гелии до 2030 года

Таким образом, в перспективе, на мировом рынке гелия для России сложится благоприятная ситуация, положительный эффект от которой может быть достигнут при условии реализации преимущества сырьевой базы (рис. 2). Под положительным эффектом понимается не только монетарный эффект, также учитывается формирование предпосылок для освоения новых сфер влияния: выход на новые торговые площадки и рынки сбыта, развитие высокотехнологичных отраслей промышленности, фундаментальных и прикладных наук и др.

13-10-2016-11-41-32

Рис. 2 — Прогноз производства гелия

Задача подземного хранения гелия впервые нашла решение в США, где для хранения промышленных объемов гелия во второй половине XX века были применены технологии подземного хранения природного газа. Подземное хранение гелия берет свое начало в США, штат Техас, где в 1963 году газогелиевое месторождение Клиффсайд, (начальное содержание гелия 1,8%) было переведено в режим закачки гелиевого концентрата и отбора пластового газа. Позже, в 1973 году, была прекращена добыча природного газа, и объект стал использоваться исключительно для хранения и продажи гелиевого концентрата [5, 6]. В подземном хранилище гелиевого концентрата (ПХГК) Клиффсайд хранится Федеральный гелиевый резерв США.

Правительство США стимулировало развитие гелиевой промышленности:

  • программа по охране ресурсов гелия (запрет на разработку гелиеносных месторождений с содержанием гелия от 0,3 % без его извлечения),
  • запрет на экспорт гелия, за исключением экспортных продаж по правительственным лицензиям,
  • создание Федерального гелиевого резерва, в основе чего лежали долгосрочные правительственные контракты с частными компаниями на поставку гелия для хранения на Клиффсайд.

Результатом совместной работы правительства и частных компаний стала система транспортировки, хранения и переработки гелиевого концентрата, сформировавшаяся на территории трех штатов. Система состоит из основного, государственного трубопровода, и частных трубопроводов-отводов к гелиевым и газоперерабатывающим заводам. Конечным пунктом транспортировки является ПХГК Клиффсайд.

В 1979 году в России, в Оренбургской области, на практике применены технологии хранения природного газа в подземных выработках пластов каменной соли для хранения гелия в составе гелиевого концентрата. Хранилище представляет собой шесть подземных выработок на интервале глубин «-1347» - «-1470» м, общим геометрическим объемом 235 тыс. м3 [5]. На рисунке 6 приведено схематичное изображение подземного резервуара.

На хранение направлялся гелиевый концентрат с Оренбургского гелиевого завода. Технологией хранения владеет ПАО «Газпром», управляет работой подземного хранилища гелиевого концентрата ООО «Газпром Оренбург». Стоит отметить, что технология выделения гелиевого концентрата из газа Оренбургского месторождения уникальна, т.к. разработана для газов с низким содержанием гелия (в начальном составе пластового газа Оренбургского месторождения содержание гелия составляло 0,055%). К 2010 году в двух из шести резервуаров на хранении находился гелиевый концентрат в объеме 8,5 млн. м3. С 1 января 2012 года единым оператором ПАО «Газпром» по реализации гелия в России стало АО «Газпром газэнергосеть». В июле 2014 года в рамках реализации инвестиционной программы АО «Газпром газэнергосеть» на территории гелиевого завода ООО «Газпром добыча Оренбург» введена в эксплуатацию установка сжижения гелия ОГ-500 производительностью 4,2 млн.л/год [7].

Согласно Восточной газовой программе ПАО «Газпром» для осуществления поставок природного газа в страны Азиатско-Тихоокеанского региона (АТР) предполагается организация четырех центров газодобычи, ряд месторождений которых характеризуется высокой концентрацией гелия в пластовом газе. Промышленную разработку таких месторождений предполагается вести с выделением гелия до подачи природного газа в экспортную магистраль.

В связи с этим необходима организация гелиевой программы России, базисом которой станет рациональное обращение с невозобновляемым ресурсом – гелием. Следующие вопросы должны регулироваться в рамках гелиевой программы:

  • внедрение и совершенствование технологий выделения гелия;
  • разработка законодательной базы;
  • практическое применение и совершенствование методик направленного поиска месторождений гелийсодержащих газов;
  • рациональное распределение накопленных запасов гелия;
  • освоение и совершенствование технологий хранения гелия.

Для выделения гелия или промежуточного гелиевого продукта из природного газа необходимо сооружение газохимического комплекса в малоосвоенном и плохо доступном регионе. В целях сокращения капитальных вложений в обустройство месторождений и оптимизации технологического процесса планируется внедрение мембранных технологий газоразделения. На Ковыктинском ГКМ по запатентованной технологии реализована установка с двухступенчатой системой мембранного газоразделения, на которой, в рамках программы по импортозамещению, с конца 2015 года ведутся испытания мембранных элементов отечественного производства. Результаты опытно-промышленных испытаний используются для проектирования установки мембранного выделения гелиевого концентрата на Чаяндинском НГКМ [1].

Опираясь на опыт США, можно сделать вывод, что законодательная база, направленная на стимулирование компаний инвестировать в развитие гелиевой промышленности и защиту интересов как компаний, так и государства, при разработке месторождений гелийносных углеводородных газов и при распределении выделенного чистого гелия или промежуточного гелиевого продукта.

При практическом опробовании в Танзании нового метода направленного поиска месторождений гелийсодержащих газов впервые было открыто месторождение гелийсодержащего газа с высокой концентрацией гелия [3].

Принципы рационального распределение накопленных запасов гелия должны учитываться при обращении с ресурсами гелия Восточной Сибири и Дальнего Востока. Спрос на гелий на внутреннем рынке достаточно низкий, а реализация крупных объемов гелия на мировом рынке может привести к его обвалу. В связи с этим требуется аккумулирование гелия.

Для крупномасштабного и долгосрочного хранения гелия целесообразно применить технологии подземного хранения. Для создания подземного хранилища рассматривались различные структуры [8]. В зависимости от типа выбранного объекта (пористый пласт-коллектор, соляной пласт и др.) будет необходима разработка комплекса геологоразведочных работ (ГРР). Результаты анализа данных ГРР необходимы для создания геологической цифровой 3D модели и дальнейшего построения газогидродинамической 3D модели объекта эксплуатации. Также необходимо использовать результаты ГРР для установления герметичности перекрывающих перспективный объект хранения горизонтов, степени их выдержанности по мощности пласта и площади простирания структуры, установить наличие тектонических нарушений в разрезе. Стоит отметить, что наряду с необходимостью исследования экранирующих свойств вышележащих горизонтов существует необходимость снижения численности фонда разведочных и эксплуатационных скважин до минимально возможной, т.к. процесс бурения вызывает перераспределение геомеханичесих напряжений в окрестности скважины, которое, в конечном счете, влияет на ее продуктивность (или приемистость) [9]. Помимо этого, распространенной проблемой на ПХГ является миграция газа по негерметичным участкам цементного камня. Строительство скважин необходимо вести с применением технологий и оборудования, обеспечивающих необходимую герметичность. При выборе объектов хранения рационально отдать предпочтение тем, в газе которых присутствует гелий. При этом на хранении может находиться чистый гелий или промежуточный гелиевый продукт. При выборе объекта хранения необходимо учесть его географическое местоположение, состав хранимого продукта, тип объекта хранения, режим работы хранилища (оперативное хранение или долгосрочное). В оперативном режиме хранилище работает для выполнения оперативных поставок на внешний или внутренний рынки. В мировой практике ПХГ в выработках каменной соли создаются пиковые ПХГ. Однако отечественный опыт хранения гелиевого концентрата в подземных выработках каменной соли может не найти применения в виду неповсеместной распространенности соляных пластов, что делает необходимым освоение технологий подземного хранения чистого гелия или промежуточного гелиевого продукта в хранилищах другого типа [10]. В ООО «Газпром ВНИИГАЗ» разработан и запатентован способ создания подземного хранилища гелия при разработке группы месторождений гелийсодержащего природного газа различной емкости [11].

При разработке проекта создания и эксплуатации подземного хранилища выполняется обоснование и выбор основных технических параметров хранилища и технологических режимов эксплуатации с применением построенной газогидродинамической модели.

Распространенной проблемой при создании и эксплуатации хранилищ природного газа являются его потери по тем или иным путям миграции. Учитывая высокую проникающую способность гелия, можно предположить актуальность этой проблемы и при его хранении. В связи с этим, необходимо уделить внимание способам предотвращения и обнаружения потерь, а также методикам их оценки. Высокая проникающая способность гелия требует разработки комплексной программы контроля при создании и эксплуатации подземного хранилища гелия с учетом этой особенности, в частности необходимо вести мониторинг пластовой миграции и учет потерь гелия.

Чтобы реализовать преимущество сырьевой базы, России необходимо в достаточно короткий срок на практике реализовать решения по промышленному внедрению технологий мембранного газоразделения и подземного хранения гелия. Для накопления и распределения гелия в условиях выполнения контракта с КНР на поставку природного газа необходимо обеспечить ввод мощностей по выделению гелия не позднее начала разработки месторождений сырьевой базы контракта, организовать работу подземного хранилища гелия.

Литература

  1. Милованов С.В., Кисленко Н.Н., Тройников А.Д. Разработка и внедрение инновационных технологий извлечения гелия из природного газа // Научный журнал Российского газового общества. 2016. №2. С.10-17.
  2. U.S. Geological Survey, 2016 [Электронный ресурс]: Mineral commodity summaries 2016. U.S. Geological Survey. 202 p. URL: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/mcs/2016/mcs2016.pdf (дата обращения: 10.07.2016).
  3. New High-Grade Helium Discoveries in Tanzania. Danabalan D., Gluyas J.G., Macpherson C.G., Abraham-James T.H., Bluett J.J., Barry P.H., Ballentine C.J. [Электронный ресурс]: Goldschmidt Conference Abstracts. 2016. 595 p. URL: http://goldschmidt.info/2016/uploads/abstracts/finalPDFs/A-Z.pdf (дата обращения 23.09.2016).
  4. Конторович А. Э., Удут В. Н., Пак В. А., Довгань А. В. Прогноз развития гелиевой промышленности Восточной Сибири: региональные, общероссийские и глобальные аспекты // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2006. Т.5. С.67-75.
  5. Хан С.А., Игошин А.И., Казарян В.А., Скрябина А.С., Сохранский В.Б. Подземное хранение гелия. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований. 2015. 272 с.
  6. Якуцени В.П. Традиционные и перспективные области применения гелия // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2009. Т.4. №1. С. 1-8.
  7. Гелий // GAZPROMLPG.RU: официальный веб-сайт компании. URL: gazpromlpg.ru /?id=352 (дата обращения: 10.07.2016).
  8. Рубан Г.Н., Бондарев В.Л., Королева В.П., Королев Д.С. Оценка возможности создания хранилищ гелиевого концентрата в Иркутской области // Газовая промышленность. 2010. №4. С.24-25.
  9. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Геомеханика нефтяных и газовых скважин // Вестник ННГУ. 2011. №4-2. С.448-450.
  10. Изюмченко Д.В., Косачук Г.П., С.В. Буракова С.В., Буточкина С.И., Мальникова Е.В., Будревич. Н.В. Анализ мирового опыта и оценка перспективных соленосных толщ под строительство ПХ гелия на территории Восточной Сибири // Газовая промышленность. 2012. №4. С.72-77.
  11. Установка очистки природного газа высокого давления от гелия: пат. 114423 Рос. Федерация № 2011145825/05; заявл. 11.11.2011; опубл. 27.03.2012, Бюл. № 9.

References

  1. Milovanov S.V., Kislenko N.N., Trojnikov A.D. Razrabotka i vnedrenie innovacionnyh tehnologij izvlechenija gelija iz prirodnogo gaza [Development and introduction of innovative technologies of extraction of helium from natural gas] // Nauchnyj zhurnal Rossijskogo gazovogo obshhestva [Scientific Journal of Russian Gas Society]. 2016, #2. S.10-17 [in Russian]
  2. U.S. Geological Survey, 2016, Mineral commodity summaries 2016: U.S. Geological Survey, 202 p. URL: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/mcs/2016/mcs2016.pdf (data obrashhenija: 10.07.2016)
  3. New High-Grade Helium Discoveries in Tanzania. Danabalan D., Gluyas J.G., Macpherson C.G., Abraham-James T.H., Bluett J.J., Barry P.H., Ballentine C.J. Goldschmidt Conference Abstracts. 2016. 595 p. URL: http://goldschmidt.info/2016/uploads/abstracts/finalPDFs/A-Z.pdf (data obrashhenija: 23.09.2016).
  4. Kontorovich A. Je., Udut V. N., Pak V. A., Dovgan' A. V. Prognoz razvitija gelievoj promyshlennosti Vostochnoj Sibiri: regional'nye, obshherossijskie i global'nye aspekty [Forecast of helium industry’s development in Eastern Siberia: regional, national and global aspects] // Interjekspo Geo-Sibir'. 2006. T.5. S.67-75. [in Russian]
  5. Han S.A., Igoshin A.I., Kazarjan V.A., Skrjabina A.S., Sohranskij V.B. Podzemnoe hranenie gelija [Underground storage of helium] M.-Izhevsk: Institut komp'juternyh issledovanij [Izhevsk: Institute of Computer Science] 2015. 272 s [in Russian]
  6. Jakuceni V.P. Tradicionnye i perspektivnye oblasti primenenija gelija [Traditional and promising field of application of helium] // Neftegazovaja geologija. Teorija i praktika [Petroleum geology. Theory and practice] 2009. T.4. - #1. S.1-8 [in Russian]
  7. Gelij [Helium] // GAZPROMLPG.RU: oficial'nyj veb-sajt kompanii [The official company website]. URL: gazpromlpg.ru /?id=352 (data obrashhenija: 10.07.2016) [in Russian]
  8. Ruban G.N., Bondarev V.L., Koroleva V.P., Korolev D.S. Ocenka vozmozhnosti sozdanija hranilishh gelievogo koncentrata v Irkutskoj oblasti [Assessing the possibility of creating a helium concentrate storage facilities in the Irkutsk region] // Gazovaja promyshlennost' [Gas industry]. 2010, #4. S.24-25 [in Russian]
  9. Karev V.I., Kovalenko Ju.F. Geomehanika neftjanyh i gazovyh skvazhin [Geomechanics of oil and gas wells] // Vestnik NNGU [Herald of UNN]. 2011, #4-2. S.448-450 [in Russian]
  10. Izjumchenko D.V., Kosachuk G.P., S.V. Burakova S.V., Butochkina S.I., Mal'nikova E.V., Budrevich. N.V. Analiz mirovogo opyta i ocenka perspektivnyh solenosnyh tolshh pod stroitel'stvo PH gelija na territorii Vostochnoj Sibiri [Analysis of international experience and assessment of prospective strata of salt for the construction of PX helium in Eastern Siberia] // Gazovaja promyshlennost' [Gas industry]. 2012. #4. S.72-77 [in Russian]
  11. Ustanovka ochistki prirodnogo gaza vysokogo davlenija ot gelija [A treating unit of high-pressure gas from helium]: pat. 114423 Ros. Federation #2011145825/05; zajavl. 11.11.2011; opubl. 27.03.2012, Bjul. #9 [in Russian]