МОДЕЛИРОВАНИЕ СЦЕНАРИЕВ ВОЗМОЖНЫХ ВАРИАНТОВ КОМПЕНСАЦИИ ОТКЛОНЕНИЙ ОТ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЛЯ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ ГАЗА, СОЗДАННЫХ В ВОДОНОСНЫХ ПЛАСТАХ, ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ ФОРС-МАЖОРНЫХ СИТУАЦИЙ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА

УДК 622.691.24

Е.А. Мельников1; В.Л. Бондарев1, e-mail: V_Bondarev@vniigaz.gazprom.ru; С.Л. Костиков2; Д.А. Кошелев3

1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ» (Москва, Россия).

2 ПАО «Газпром» (Москва, Россия).

3 ООО «Газпром ПХГ» (Санкт-Петербург, Россия).

Моделирование сценариев возможных вариантов компенсации отклонений от циклической эксплуатации для подземных хранилищ газа, созданных в водоносных пластах, при возникновении форс-мажорных ситуаций

В статье рассмотрены варианты эффективного использования в форс-мажорных ситуациях подземных хранилищ газа, созданных в водоносных пластах.

Отмечено, что современные динамические природно-климатические и геоэкономические условия функционирования объектов подземного хранения газа диктуют необходимость предусматривать в проектных технологических документах особый подход при прогнозировании эксплуатации газовой залежи в форс-мажорных обстоятельствах. При этом в последнее время наблюдается некоторый диссонанс между функциональным (проектным) назначением некоторых подземных хранилищ газа и фактическими условиями работы Единой системы газоснабжения. Подчеркнуто, что воздействие форс-мажорных обстоятельств на эксплуатацию хранилищ приводит к нарушению так называемой циклической эксплуатации, для восстановления которой может потребоваться применение закачки газа в сезон отбора или отбор газа в сезон закачки. Применительно к варианту закачки газа в сезон отбора проведено моделирование сценариев, первый из которых предусматривал аномально теплую зиму и резкое снижение потребности в газе в течение всего сезона отбора, которое не может быть компенсировано за счет остановки хранилищ, работающих в газовом режиме. Второй сценарий был связан с резким увеличением потребности в газе в летнее время, например, из-за планового ремонта магистрального газопровода. Применительно к варианту отбора газа в сезон закачки была смоделирована ситуация высокой потребности в газе в I квартале в связи с длительными аномальными морозами или при аварии на магистральном газопроводе, в результате которой может быть практически исчерпан потенциал хранилищ целого района. Для наглядности результаты моделирования проиллюстрированы с помощью диаграмм.

По результатам моделирования сделан вывод, что максимальные усилия для сохранения циклической эксплуатации подземных хранилищ газа следует прилагать при отборе газа в зимнее время.

Ключевые слова: подземное хранилище газа, закачка газа, отбор газа, циклическая эксплуатация, режим, форс-мажор, пластовое давление, газонасыщенный поровый объем, водоносный пласт.

E.A. Melnikov1; V. L. Bondarev1, e-mail: V_Bondarev@vniigaz.gazprom.ru; S.L. Kostikov2; D.A. Koshelev3

1 Gazprom VNIIGAZ LLC (Moscow, Russia).

2 Gazprom PJSC (Moscow, Russia).

3 Gazprom UGS LLC (Saint Petersburg, Russia).

Simulation of Scenarios of Optional Versions for Deviation Offset of the Cyclic Operation in Force Majeure Circumstances for Underground Gas Storage Facilities Created in Water-Bearing Formations

The article considers options for effective use of underground gas storage facilities created in water-bearing formations in force majeure circumstances.

It is noted that modern dynamic natural-climatic and geo-economic conditions of underground gas storage facilities operation dictate the need to provide for a special approach in the design process documents when predicting the operation of a gas deposit in force majeure circumstances. At the same time, there has recently been some dissonance

124

№ 3-4 апрель 2020 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE

between the functional (design) purpose of some underground gas storage facilities and the actual operating conditions of the Unified gas supply system.

It is emphasized that the impact of force majeure on the operation of storage facilities leads to a deviation of the so-called cyclical operation, which may require the use of external gas disposition during the gas withdrawal season or gas withdrawal during the external gas disposition season to restore. For the external gas disposition option during the gas withdrawal season, scenarios were modeled, the first of which provided for an abnormally warm winter and a sharp decrease in gas demand during the entire gas withdrawal season, which couldn't be compensated by stopping storage facilities operating in gas mode. The second scenario was associated with a sharp increase in demand for gas in the summer, for example, due to planned repairs of the main gas pipeline. With regard to the option of gas withdrawal during the external gas disposition season, the situation of high gas demand in the first quarter was simulated due to prolonged abnormal frosts or an accident on the main gas pipeline, as a result of which the storage capacity of the entire district may be almost exhausted. For clarity, the simulation results are illustrated using diagrams. Based on the results of the simulation, it's concluded that maximum efforts to maintain the cyclic operation of underground gas storage should be made when in winter with gas withdrawal.

Keywords: underground gas storage facility, external gas disposition, gas withdrawal, cyclic operation, mode, force majeure, reservoir pressure, gas-saturated pore volume, water-bearing formation.

ВВЕДЕНИЕ

Помимо внешних условий, оказывающих воздействие на работу подземных хранилищ газа (ПХГ), существует ряд особенностей (геологических, гидродинамических, фильтрационных и др.), определяющих специфичность работы залежи газа ПХГ. В Центральном федеральном округе РФ, регионе с большими объемом и неравномерностью потребления газа, ряд созданных в водоносных пластах ПХГ эксплуатируется в сложных горно-геологических условиях. Опыт показывает, что наиболее эффективная эксплуатация подобных искусственных газовых залежей возможна при максимальном использовании объема ловушки. Такие горно-геологические условия, как малая амплитуда ловушки, высокая подвижность пластовых вод, значительная толщина пласта, не позволяют полностью «осушить» пласт в зоне расположения эксплуатационных скважин.

В этих условиях для предотвращения растекания газа с последующим его уходом за пределы ловушки требуется реализация специальных режимов отбора и закачки газа, которые трудно выдерживать ввиду несоответствия

^ й> *-а

У Е

си

се у о

со Q-

m го s

R^

С re

к О га

о £

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

Зимняя дозакачка - 900 млн м3 Winter additional gas disposition - 900 min m3 Производительность - 90 млн м3 Capacity - 90 min m3

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3

2000 4000 6000 8000 10000 12000 Нарастающий объем отобранного газа, млн м3 Increasing voLume of the topping gas, mLn m3

1

\ 1 N v /

— 4, 11.01 1,

\ 1

N L

H \

N N

01. 11 D1.01 2S .02

re

d re S 2:

ш 3

О о

m > о

К Ol

и 1/1

s s

Режим эксплуатации Mode of operation Пластовое давление Reservoir pressure

Максимальная

производительность - 4,2 МПа Maximum capacity - 4.2 МРа

Рис. 1. Оптимальный режим максимально возможной закачки газа в сезоне отбора

Fig. 1. Optimal mode of the maximum possible external gas disposition in the withdrawal season

Ссылка для цитирования (for citation):

Мельников Е. А., Бондарев В. Л., Костиков С. Л., Кошелев Д.А. Моделирование сценариев возможных вариантов компенсации отклонений от циклической эксплуатации для подземных хранилищ газа, созданных в водоносных пластах, при возникновении форс-мажорных ситуаций // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2020. № 3-4. С. 124-127.

Melnikov E.A., Bondarev V. L., Kostikov S.L., Koshelev D.A. Simulation of Scenarios of Optional Versions for Deviation Offset of the Cyclic Operation in Force Majeure Circumstances for Underground Gas Storage Facilities Created in Water-Bearing Formations. Territorija "NEFTEGAS" [Oil and Gas Territory]. 2020;(3-4):124-127. (In Russ.)

TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 3-4 April 2020

125

ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА

разработанных режимов реальной ситуации функционирования ПХГ в Единой системе газоснабжения. [1]

ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ СПЕЦИАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ОТБОРА И ЗАКАЧКИ ГАЗА В ФОРС-МАЖОРНЫХ ОБСТОЯТЕЛЬСТВАХ

В случае постоянного недоотбора проектного активного объема газа, т. е. при работе залежи не в оптимальных пределах пластовых давлений, газонасыщенный поровый объем будет увеличиваться, что создает опасность выхода газа за пределы ловушки и может привести к снижению максимального пластового давления на начало отбора. Это, в свою очередь, обусловливает уменьшение потенциала по величине максимального и потенциального суточного отбора. Поэтому основной задачей для проектирования эксплуатации ПХГ в водоносных пластах при водонапорном режиме в форс-мажорных обстоятельствах будет определение условий устойчивой эксплуатации ПХГ с учетом реальных изменений природно-климатической обстановки. Теория проектирования ПХГ базируется на таком понятии, как циклическая эксплуатация [2], под которой понимаются повторяющиеся процессы закачки и отбора газа. Одним из важнейших условий стабильности циклической эксплуатации является равенство объемов оттесненной и вторгшейся в ловушку за цикл «отбор - закачка» пластовой воды, что позволяет стабилизировать газовую залежь в пределах ловушки [1]. Воздействие внешних форс-мажорных обстоятельств на эксплуатацию ПХГ приводит к нарушению циклической эксплуатации, для восстановления которой может потребоваться запуск обратного процесса движения газа в закачку/отбор, т. е. закачка газа в сезон отбора (рис. 1) и отбор газа в сезон закачки (рис. 2-4).

При разработке сценариев отбора газа в сезон закачки рассматривалось два случая.

Первый предусматривал аномально теплую зиму и резкое снижение потребности в газе в течение всего сезона отбора, которое не может быть компенсировано за счет остановки

51

¡1

<и о £ ê ** ы

о ¡о

m о.

m пз

s <->

о &

180 160 140 120 100 80 60 40 20 О

9 8

б 5 4 3

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Нарастающий объем отобранного газа, млн м3 Increasing volume of the topping gas, mln m3

01.01

29.06

<D ..

i §

I Я

m m

ro ¡ü

ЕС CL

<u .!=

о О

m > о

к <u

и 1/1

s s

Режим эксплуатации Mode of operation Пластовое давление Reservoir pressure

Максимальная

производительность - 4,2 МПа Maximum capacity - 4.2 МРа

Рис. 2. Режим минимально необходимого объема отбора газа за пределами сезона отбора (120 сут) Fig. 2. Mode of minimum required gas extraction volume beyond the withdrawal season (120 days)

■-8

J3 ^

Ь E

£ E

<u <

s £ Ct y о fO m O-m ro s u

a^

>= to ■к о

го

X з-о

120 100 80 60 40 20

01.07 15.10

12 10 8 6 4 2

<u *

i I

1 я

to flj

(О С

ce a.

ai .î=

о о

m 5 о

Н а>

и w

щ &

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Нарастающий объем отобранного газа, млн м3 Increasing volume of the topping gas, mln m3

— Режим эксплуатации — Пластовое давление Mode of operation Reservoir pressure

8000

Рис. 3. Режим максимально короткой закачки газа на восполнение после отбора минимально необходимого отбора газа за пределами сезона отбора (120 сут)

Fig. 3. Mode of the shortest external gas disposition for replenishment after the withdrawal of the topping gas minimum required volume beyond the withdrawal season (120 days)

хранилищ, работающих в газовом режиме. В этом случае при невозможности осуществить минимально необходимый отбор газа в пределах сезона отбора его придется осуществлять за пределами сезона. Сценарий был рассчитан для установленных сроков

закачки газа, доведения объема отбора газа до минимально необходимого, реализации плановых объемов закачки газа без превышения максимального пластового давления и обеспечения максимального пластового давления к концу закачки (рис. 2, 3).

126

№ 3-4 апрель 2020 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE

*-a

_D \

¡1 5 E

<u < £ g

*=*■ У

о го

m О-

m го

s о

а^

С (О

к О го

X

з-о

120 100 80 60 40 20 0

8 б 4 2 0

2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Нарастающий объем отобранного газа, млн м3 Increasing volume of the topping gas, mLn m3

— Режим эксплуатации — Пластовое давление Mode of operation Reservoir pressure

02.09

Gas wit idrawal 2 550 mln n3 (15 dai 4 i '

Cap acity 170 mLn m3/d ayJ

01.05 15.08 20.01

Ï «

« 1/1

Ш flj

to с

■a o.

a> -i=

о о

m > о

К Ol

и w

s s

Рис. 4. Режим максимального отбора газа в сезон закачки

Fig. 4. Mode of the maximum gas withdrawal of the external gas disposition season

Второй случай связан с резким увеличением потребности в газе в летнее время, например, из-за планового ремонта магистрального газопровода. В этом случае желательно заранее предусмотреть интенсивную закачку газа, чтобы после требуемых объемов отбора успеть провести восполнение отобранного газа (рис. 4). Оба случая не оказывают негативного последствия на формирование газовой залежи, поскольку могут быть компенсированы технологическими мероприятиями, что было подтверждено расчетами (рис. 2, 4). Единственным минусом может быть невозможность закачки всего объема запланированного газа в намеченные сроки, что, впрочем, не приведет к негативным последствиям для хранилища.

Не вызывает сомнения технологическая возможность закачки газа в сезон отбора в хранилища, работающие в газовом режиме. Реализована такая возможность и для Калужского ПХГ, созданного в водоносном пласте. Однако Калужское ПХГ имеет низкую подвижность пластовых вод, достаточное количество эксплуатационных скважин и работает в пиковом режиме, т. е. для отбора газа используется кратковременно, значительный период зимнего времени простаивает, благодаря чему на этом ПХГ есть возможность осуществить зимнюю подкачку газа. В случае высокой потребности в газе в I квартале в связи с длительными аномальными морозами или при аварии на магистральном газопроводе придется вести интенсивный отбор из большинства ПХГ, расположенных в центральном экономическом районе, в результате чего потенциал хранилищ может быть практически исчерпан. Для рассмотрения такого варианта был разработан сценарий эксплуатации ПХГ,

моделирующий ситуацию, которая может возникнуть на объектах со значительными резервами объемов газа. На крупном хранилище газа, расположенном в центральном экономическом районе, из-за аномально низких температур в начальный период отбора газа (IV квартал) велся интенсивный отбор, существенно превышающий расчетный режим, что привело к опустошению хранилища. При этом текущего давления и объемов газа в пласте будет недостаточно для эффективной работы хранилища в оставшееся время, и может потребоваться частичное восполнение отобранного газа. Восполнение можно провести в первой декаде января, когда потребление газа из-за новогодних праздников минимально, это наиболее реализуемый вариант. При разработке данного сценария в качестве необходимого условия принималась необходимость отбора

всего объема оперативного резерва с максимальной производительностью и реализация максимально возможной дозакачки газа в период наименьшей потребности (первая декада января). Конечно,такой сценарий является крайним случаем, который в реальной практике вряд ли реализуем, однако проведенные расчеты показали возможность его реализации, пусть в меньшем объеме,при интенсивном отборе газа из крупного хранилища.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, для хранилищ, созданных в водоносных пластах с высокой подвижностью пластовых вод, отклонение от циклической эксплуатации может иметь пагубные последствия. Поэтому при отборе газа в зимнее время следует прилагать максимальные усилия для сохранения циклической эксплуатации этих хранилищ.

Литература:

1. Аксютин О.Е., Хан С.А. Современные требования к совершенствованию теории проектирования, создания и эксплуатации ПХГ в водоносных пластах // Газовая промышленность. 2009. № 3 (629). С. 48-49.

2. Левыкин Е.В. Технологическое проектирование подземных хранилищ газа. М.: Недра, 1973. 207 с.

References:

1. Requirements for Improving the Theory of Design, Creation and Operation of UGS in Aquifers. Gazovaya promyshlennost' [Gas Industry]. 2009;3(629):48-49. (In Russ.)

2. Levykin E.V. Technological Design of Underground Gas Storage Facilities. Moscow: Nedra; 1973. (In Russ.)

TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 3-4 April 2020

127