CC BY
25
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2020, №5, Том 12 / 2020, No 5, Vol 12 https://esj.today/issue-5-2020.html URL статьи: https://esj.today/PDF/04NZVN520.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Бутов К. А., Дьяченко Г.И. Особенности моделирования эксплуатации подземного хранилища водорода в трещиновато-пористом коллекторе // Вестник Евразийской науки, 2020 №5, https://esj.today/PDF/04NZVN520.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Butov K.A., Dyachenko G.I. (2020). Features of modeling the operation of underground hydrogen storage in a fractured porous reservoir. The Eurasian Scientific Journal, [online] 5(12). Available at: https://esj.today/PDF/04NZVN520.pdf (in Russian)
УДК 622.691.2 ГРНТИ 52.47.33
Бутов Кирилл Андреевич
Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет)
имени И.М. Губкина, Москва, Россия
Аспирант E-mail: kir.butov@gmail.com
Дьяченко Григорий Иванович
ООО «Газпром Геотехнологии», Санкт-Петербург, Россия
Ведущий Специалист E-mail: dyachenko.gr@gmail.com
Особенности моделирования эксплуатации подземного хранилища водорода в трещиновато-пористом коллекторе
Аннотация. В статье приведено обоснование актуальности развития подземных хранилищ водорода, основанное на стратегиях декарбонизации энергетической отрасли большинства европейских стран. Учитывая мировые тренды перехода от ископаемых источников энергии на возобновляемую энергетику авторами рассматриваются вопросы хранения водорода в подземных геологических структурах. Приведены основные факторы способные оказать негативное влияние на эксплуатацию наземного, подземного оборудования и пласт-коллектор подземных хранилищ газа при наличии в компонентом составе водорода.
Авторами представлены результаты гидродинамического моделирования пласта-коллектора с трещиновато-пористой структурой. Данный рассматриваемый случай эксплуатации подземного хранилища газа при наличии трещиновато-пористого коллектора является моделированием ситуации одного из самых негативных сценариев развития из возможных при реализации закачки неуглеводородных компонентов, к примеру водорода, или гелия. Для реализации поставленной цели в гидродинамическом симуляторе была построена композиционная модель, позволяющая описать процесс закачки неуглеводородного компонента (в частности водорода) с учетом двойной пористости и проницаемости коллектора.
С целью выявления зависимостей распространения водорода по площади, а также, количества неуглеводородного компонента в скважинной продукции в статье предложена методика расчетов для определения зависимостей путем ранжирования фильтрационно-емкостных свойств. Кроме того, авторами статьи рассмотрены различные режимы эксплуатации подземного хранилища газа при наличии водорода.
Проведенные гидродинамические расчеты, основанные на разработанной матрице вариантов, позволили формализовать наиболее значимые параметры при эксплуатации подземных хранилищ газа при наличии водорода, а также определиться с последующим направлением исследований.
Данная статья является частью диссертационного исследования.
Ключевые слова: подземное хранение газа; водород; математическая модель; возобновляемая энергетика; неуглеводородая энергетика; моделирование; метан; гидродинамическая модель
Состояние изученности вопроса подземного хранения водорода
В последнее время все более актуальной становится тематика декарбонизации мировой энергетической отрасли. Принятый Еврокомиссией в конце 2019 года комплекс политических инициатив Европейский «Зеленый курс»1, а также принятая в июле 2020 года «Водородная стратегия» 2 подразумевает значительное увеличение доли водорода в общем объеме энергогенерации в европейских странах.
Для реализации столь амбициозных целей предполагается как использование существующих газотранспортных систем с целью перекачки метан-водородных смесей, так и строительство новых с целью перекачки чистого водорода. В связи с этим возникает необходимость хранения столь больших объемов водорода с целью балансировки неравномерности энергопотребления. Хранение чистого водорода предполагается осуществлять в подземных хранилищах газа (ПХГ) в соляных кавернах, однако это всего 8 % от общего активного объема газа существующих ПХГ в мире. Основные же объемы хранения сосредоточены в пористых коллекторах (истощенные месторождения и водоносные горизонты), использование которых рассматривается для хранения метан-водородных смесей. По информации Cedigaz [1] по состоянию на конец 2018 года эти объемы составляют 91 % активного объема газа ПХГ в мире. Однако пригодность существующих объектов для подземного хранения газа, до сих пор вызывает дискуссии в научном сообществе. Так если рассматривать ПХГ в пористых коллекторах как объект для хранения водорода, необходимо учитывать ряд факторов:
• Уменьшение производительности ПХГ при замене метана на водород (калорийность водорода примерно в 3 раза ниже, чем у метана)3.
• Охрупчивание металлов, применяемых в скважинах и оборудовании («hydrogen embrittlement») [2].
• Диффузия водорода через покрышку коллектора.
• Диффузия водорода через цементный камень.
1 «The European Green Deal» // European Commission URL: https://eur-lex. europa. eu/le gal-content/EN/TXT/?qid=1588580774040&uri=CELEX:52019DC0640 (дата обращения: 01.09.2020).
2 «A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe» // European Commission URL: https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/hydrogen strategy.pdf (дата обращения: 01.09.2020).
3 Zane McDonald «Injecting hydrogen in natural gas grids could provide steady demand the sector needs to develop» // S&P Global Platts URL: https://www.spglobal.com/en/research-insights/articles/injecting-hydrogen-in-natural-gas-grids-could-provide-steady-demand-the-sector-needs-to-develop (дата обращения: 01.09.2020).
• Разрушение уплотнительных элементов оборудования под воздействием водорода.
Наиболее актуальным источником информации по анализу изученности вышеуказанных факторов на сегодняшний день можно считать исследование, которое было проведено европейской технической ассоциацией Магео§а2 (рис. 1).
Рисунок 1. Анализ изученности подземного хранения водорода4
Как видно из исследования воздействие водорода на объекты ПХГ практически не изучено, а проведенные исследования не нашли единого консенсуса. Также при использовании метан-водородных смесей встает вопрос о едином регулировании допустимых концентраций водорода в межгосударственных газопроводах. На сегодняшний день в европейских странах допустимые концентрации сильно разнятся, а содержание водорода в межгосударственных газопроводах ограничивается значением 0,5 %.
4 Overview of available test results and regulatory limits for hydrogen admission into existing natural gas infrastructure and end use // European union URL:
https://ec.europa.eu/info/sites/info/files/energy_climate_change_environment/events/documents/02.c.03_mf33_backgrou nd_-_marcogaz_-_infographic_hydrogen_admission_-_j_dehaeseleer_g_linke .pdf (дата обращения: 20.07.2020).
Рассматривая ПХГ в пористых коллекторах как объекты, предоставляющие наибольшие возможные объемы для хранения водорода, возникает резонный вопрос о допустимых концентрациях водорода при его закачке в пористую среду. С этой целью авторами статьи было проведено исследование, направленное на изучение распространения водорода в трещиновато-пористом пласте-коллекторе.
Описание гидродинамической секторной модели. Постановка задачи для исследования
Одним из самых негативных сценариев развития эксплуатации ПХГ, является сценарий с наличием трещиноватой структуры в пласте-коллекторе при наличии которой появляется неравномерность и неопределенность дренирования пластовой системы при реализации закачки неуглеводородных компонентов (водород, гелий). С этой целью в гидродинамическом симуляторе Eclipse 3005, была создана секторная модель6, позволяющая описать процесс закачки водорода с учетом двойной пористости и проницаемости коллектора [3]. Для упрощения задачи для всей модели проницаемость трещин задавалась одной величиной, как и пористость трещин без выделения определенных участков локализации. В качестве остаточных запасов реализован пластовый газ - 100 % метан, в то же время, концентрация водорода при рассматриваемых вариантах равна 100 %, что не является обычной практикой, существующей на сегодняшний день и реализованной при эксплуатации ПХГ в пористых пластах [4-10]. Однако, такое содержание неуглеводородного компонента необходимо для более качественного отображения процесса движения газа в пласте. Секторная композиционная гидродинамическая модель представлена в форме куба с размером ячейки 30х30х20 м и сеткой ячеек 40х40х20.
Целью исследования является анализ результатов гидродинамического моделирования секторной модели при изменении следующих параметров: пористость трещины, проницаемость трещины, изменение темпов закачки и отбора водорода при различных вариантах при неизменных фильтрационно-емкостных свойствах (ФЕС) пласта. Основными критериями исследования являются:
• концентрация водорода, добываемого при эксплуатации ПХГ при различных вариантах моделирования;
• зона смешения водорода и метана при окончании добычи метано-водородной смеси с содержанием неуглеводородного компонента 5 % (К5);
• зона смешения водорода и метана при окончании добычи метано-водородной смеси с содержанием неуглеводородного компонента 50 % (К50).
Анализ изменения содержания концентрации водорода в зависимости от изменения фильтрационно-емкостных свойств коллектора
С целью определения зависимостей, протекающих в пласте при закачке водорода, варьировались на первом этапе следующие параметры: проницаемость трещины, проницаемость матрицы, пористость матрицы. Сформированы матрицы вариантов для анализа, указанные в таблицах 1-3. Расчет на секторной гидродинамической модели производился в следующей последовательности, представленной на рисунке 2:
5 Справочное руководство Eclipse. - Публичная компания Schlumberger, 2003. - 2285 с.
6Техническое описание Eclipse. - Публичная компания Schlumberger, 2003. - 1068 с.
Рисунок 2. Этапы проведения расчетов (составлено авторами)
Угол наклона крыльев принят равным нулю градусов, с целью рассмотрения самого негативного сценария распределения водорода в созданном подземном хранилище газа с пологой трещиноватой структурой.
Таблица 1
Матрица вариантов с изменяемой проницаемостью трещин
Параметр для моделирования Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Вариант 5 Вариант 6
Проницаемость трещины, мД 1 5 15 25 50 150
Проницаемость матрицы, мД 1
Пористость матрицы, % 5
Пористость трещины, % 1,3
Составлено авторами
Таблица 2
Матрица вариантов с изменяемой проницаемостью матрицы
Параметр для моделирования Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Вариант 5
Проницаемость трещины, мД 1
Проницаемость матрицы, мД 1 5 50 100 150
Пористость матрицы, % 5
Пористость трещины, % 1,3
Составлено авторами
В таблицах 1-2 дано описание расчетных вариантов при ранжировании параметра проницаемости трещины и матрицы. Темпы закачки и отбора в данных расчетных вариантах являются константами равными 20 тыс. м3/сут., как и при выявлении зависимостей при проницаемости трещины. Фиксированные темпы отбора и закачки определены с целью сравнения полученных показателей содержания водорода в скважине при ранжировании ФЕС в пласте.
Таблица 3
Матрица вариантов с изменяемой пористостью матрицы
Параметр для моделирования Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Вариант 5
Проницаемость трещины, мД 1
Проницаемость матрицы, мД 1
Пористость матрицы, % 1 10 15 20 25
Пористость трещины, % 1,3
Составлено авторами
На рисунках 3-4 приведены зависимости содержания водорода в скважинной продукции на этапе отбора для варьирования параметра проницаемости трещины. На рисунке 3 отмечается что при увеличении проницаемости трещины в пласте происходит увеличение доли водорода в
скважинной продукции. Кроме того, рассматривая максимальную проницаемость трещины из рассчитанных на рисунке 4 можно сделать вывод об увеличении зоны распространения водорода по площади.
На рисунке 5 приведена зависимость содержания водорода в результате отбора при ранжировании параметра матрицы проницаемости. Динамика изменения данного параметра закономерна изменению проницаемости трещины в коллекторе. В результате, при максимальном рассматриваемом значении проницаемости концентрация водорода в зоне скважины будет минимальной ввиду интенсивности распространения по площади структуры. Однако, при наличии низкопроницаемого коллектора концентрация водорода в скважинной продукции будет максимальной ввиду низкой фильтрации по пласту неуглеводородного компонента.
На рисунке 6 приведена зависимость содержания водорода в скважинной продукции от ранжирования пористости трещины. При максимальном рассмотренном значении пористости при гидродинамическом моделировании удается достичь максимальной концентрации водорода. Данная зависимость является итогом увеличения порового объема в прискважинной области и как результат весь неуглеводородный компонент остается при закачке в зоне скважины, не распространяясь по площади.
Учитывая проведенные расчеты по ранжированию рассматриваемых параметров ФЕС можно отметить, что при увеличении проницаемости как в трещине, так и в матрице увеличивается зона распространения водорода по площади (табл. 4, 5).
Таблица 4
Распределение зон смешения при увеличении проницаемости матрицы
Зона смешения, м
Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Вариант 5
K5 428 526 709 761 850
K50 353 468 660 716 819
Получено авторами
Таблица 5
Распределение зон смешения при увеличении проницаемости трещины
Зона смешения, м
Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Вариант 5 Вариант 6
K5 401 512 693 756 878 895
K50 322 453 643 708 820 850
Получено авторами
Рисунок 3. Изменение содержания водорода в скважине при отборе при изменении проницаемости трещины (получено авторами)
Рисунок 4. Распространение водорода при изменении проницаемости трещины (получено авторами)
Рисунок 5. Изменение содержания водорода в скважине при отборе при изменении проницаемости матрицы (получено авторами)
Рисунок 6. Изменение содержания водорода в скважине при отборе при изменении пористости матрицы (получено авторами)
Исследование и анализ зависимости распространения водорода от темпов закачки и отбора
Важной частью эксплуатации подземных хранилищ является технологический режим. С целью исследования и анализа влияния темпов закачки и отбора при учете трещиноватого коллектора была составлена матрица вариантов, представленная на рисунке 7. В указанных вариантах ФЕС пласта остаются константами согласно таблице 6.
Рисунок 7. Вариант эксплуатации ПХГ с различными темпами отбора и закачки. (составлено авторами)
Таблица 6
Расчетные параметры пласта коллектора для моделирования вариантов
Пористость матрицы, % 5
Пористость трещины, % 1,3
Проницаемость матрицы, мД 20
Проницаемость трещины, мД 100
Составлено авторами
Первая серия расчетов (1а-1Ь) является изначально проигрышным сценарием, при котором темп отбора метано-водородной смеси, будет кратно превосходить темп закачки. Соответственно при реализации данного варианта, концентрация водорода в скважине будет резко падать. Серия вариантов (2а-2Ь) с ранжированием отборов как в наибольшую сторону, так и в меньшую. Варианты (3а-3Ь) подразумевают темп закачки многократно превышающие темпы отбора. Соответственно весь неуглеводородный компонент в данной серии вариантов останется в прискважинной зоне. Распределение зон смешения при вариации параметров режимов эксплуатации ПХГ представлены в таблице 7.
Таблица 7
Распределение зон смешения при вариации параметров режимов эксплуатации ПХГ
Зона смешения, м
Вариант 1а Вариант 1b Вариант 2a Вариант 2b Вариант 3a Вариант 3b
K5 350 310 508 460 595 552
K50 290 250 420 385 550 520
Получено авторами
На рисунке 8 изображен сводный график вариантов, формализованных на рисунке 7. Расчетный вариант 3 a позволяет извлекать наиболее качественную продукцию водорода с учетом наибольшего темпа закачки и наименьшего темпа отбора из рассматриваемых вариантов. Кроме того, параметры К5 и К50 обладают максимальными значениями из представленных.
Следующим распределением вариантов является 2a и 3b со значениями концентрациями водорода в скважинной продукции. Выделяется из общей динамики соотношение варианта 2b с соотношением темпа закачки меньше темпа отбора. Самыми минимальными концентрациями в скважина продукции водорода являются варианты 1a—1b. Кроме того, параметр К5 и К50 минимален ввиду превосходящих в несколько раз темпов отбора темпов закачки.
Анализируя влияния темпов отбора и закачки на концентрацию водорода, стоит отметь следующее, чем равномернее будет происходить дренирование неуглеводородного компонента вблизи скважинной зоны, тем выше будет концентрация водорода в скважине. Кроме того, есть другой путь форсированная закачка как в вариантах 3a-3b с целью наращивания концентрации водорода, тем самым увеличивая объем водорода в пласте. На рисунках 9-11 приведены распределения водорода при реализации матрицы вариантов рисунка 7.
—закачка 20 тыс мЗ/отбор 40 тыс мЗ —закачка 20 тыс мЗ/отбор 60 тыс мЗ закачка 40 тыс мЗ/отбор 20 тыс мЗ закачка 40 тыс мЗ/отбор 60 тыс мЗ —закачка 60 тыс мЗ/отбор 20 тыс мЗ —закачка 60 тыс мЗ/отбор 40 тыс мЗ
0 30 60 90 120 ISO 180 210 240 270 300 330
Время,дни
Рисунок 8. Изменение содержания водорода в скважине (сводный график вариантов) (получено авторами)
Страница 9 из 13
04NZVN520
Рисунок 9. Распределение водорода в вариантах 1а-1Ъ (получено авторами)
Рисунок 10. Распределение водорода в вариантах 2а-2Ъ (получено авторами)
Вестник Евразийской науки 2020, №5, Том 12 ISSN 2588-0101
The Eurasian Scientific Journal 2020, No 5, Vol 12 https://esi.today
. м I и 11 [II и ¡ввшэшшш шёёёнше-;^ тыыт
Рисунок 11. Распределение водорода в вариантах 3а-3Ь (получено авторами)
Выводы
В ходе исследования были выявлены следующие зависимости, так при увеличении проницаемости в трещине и матрице пласта коллектора зона распространения неуглеводородного компонента, являющегося объектом исследования, в частности водорода, увеличивается. Зона смешения исследуемых параметров К50 и К5 показывает, что при варьировании параметрами проницаемостей матрицы и трещины коллектора минимальная зона смешения будет при увеличении проницаемости трещины. Кроме того, при увеличении пористости в рассматриваемой гидродинамической модели, зона распространения уменьшается, ввиду увеличения порового объёма.
При необходимости соблюдения постоянной концентрации водорода при отборе в метан-водородной смеси целесообразно рассматривать такие режимы эксплуатации подземных газа, при которых объем закачанной продукции будет равномерно дренировать призабойную зону скважины. Кроме того, темпы закачки и отбора должны быть рассчитаны с учетом геологических особенностей объекта закачки.
Таким образом основываясь на проведенных расчетах, можно обеспечить требуемые параметры эксплуатации подземных хранилищ водорода для необходимой поставленной задачи.
Для дальнейших исследований целесообразным является моделирование закачки метано-водородной смеси на гидродинамической модели существующего ПХГ для корреляции ФЕС с распространением компонента по площади, а также объемов возможных для закачки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Sylvie Cornot-Gandolphe «UNDERGROUND GAS STORAGE IN THE WORLD -2019 STATUS» // Cedigaz Insights. November 2019. №35. - P. 10.
2. Астафурова Е.Г., Москвина В.А., Гальченко Н.К. Влияние легирования водородом на деформационное упрочнение и разрушение высокоазотистой аустенитной стали // Letters on Materials. 2018. №8. С. 71-76.
3. Басниев К.С., Дмитриев Н.М., Каневская Р.Д., Максимов В.М. Подземная гидромеханика. - М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2006. - 488 с.
4. Gabrielli P. Seasonal energy storage for zero-emissions multi-energy systems via underground hydrogen storage // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2020. №4.
5. T. Ogawa Underground storage of hydrocarbons in Japan - Past and present // Rock Mechanics in Petroleum Engineering. 1994.
6. Tarkowski R. Perspectives of using the geological subsurface for hydrogen storage in Poland // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. №76. С. 42-49.
7. Taylor B.J. Technical and economic assessment of methods for the storage of large quantities of hydrogen // Int. J.Hydrogen Energy. 1986. pp. 5-22.
8. K.S. Basniev, F.A. Adzynova Underground Hydrogen Storage Problems in Russia // 18th World Hydrogen Energy Conference 2010 - WHEC 2010. 2010. №Vol. 78-4. С. 47-53.
9. Tarkowski R. Salt domes in Poland - Potential sites for hydrogen storage in caverns // International Journal of Hydrogen Energy. 2018. №81. С. 60-71.
10. Yang C., Jing W., Daemen J.J.K., Zhang G., Du C. Analysis of major risks associated with hydrocarbon storage caverns in bedded salt rock // Reliability Engineering & System Safety. 2013. V. 113. pp. 94-111.
Butov Kirill Andreevich
National university of oil and gas «Gubkin university», Moscow, Russia
E-mail: kir.butov@gmail.com
Dyachenko Grigory Ivanovich
LLC « Gazprom Geotechnology», Saint Petersburg, Russia E-mail: dyachenko.gr@gmail.com
Features of modeling the operation of underground hydrogen storage in a fractured
porous reservoir
Abstract. The article provides a substantiation of the relevance of the development of underground hydrogen storage, based on the decarbonization strategies of the energy industry in most European countries. Considering the global trends in the transition from fossil energy sources to renewable energy, the authors consider the issues of hydrogen storage in underground geological structures. The main factors that can have a negative impact on the operation of surface and underground equipment and the reservoir of underground gas storage in the presence of hydrogen in the gas mixture are presented.
The authors present the results of hydrodynamic modeling of a reservoir with a fractured porous structure. This considered case of operation of an underground gas storage in the presence of a fractured-porous reservoir is a simulation of the situation of one of the most negative development scenarios possible when implementing the injection of non-hydrocarbon components, for example, hydrogen or helium. To achieve this goal, a compositional model was built in the hydrodynamic simulator, which makes it possible to describe the injection of a non-hydrocarbon component (in particular, hydrogen), taking into account the double porosity and permeability of the reservoir.
In order to identify the dependences of the distribution of hydrogen over the area, as well as the amount of the non-hydrocarbon component in the well production, the article proposes a calculation method for determining the dependencies by ranking the reservoir properties (porosity and permeability). In addition, the authors of the article considered various modes of operation of an underground gas storage in the presence of hydrogen.
The carried out hydrodynamic calculations based on the developed matrix of options made it possible to formalize the most significant parameters in the operation of underground gas storage facilities in the presence of hydrogen, as well as to determine the subsequent direction of research.
This article is part of a PhD research.
Keywords: underground gas storage; hydrogen; mathematical model; renewable energy; non-hydrocarbon energy; modeling; methane; hydrodynamic model
