CC BY
134
УДК 622.691.24
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2019-10608
РАЗВИТИЕ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ ГАЗА В РОССИИ И МИРЕ
DEVELOPMENT OF UNDERGROUND GAS STORAGE FACILITIES IN RUSSIA AND THE WORLD
И.И. Хасанов, Р.А. Шакиров, Т.Д. Гильмутдинов
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-3422-1237, E-mail: [email protected] ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7017-081X, E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]
Резюме: Объектом исследования является история внедрения подземных хранилищ газа (ПХГ) в мире и, в частности, СССР. Отмечены основные этапы развития инфраструктуры России по подземному хранению газа, упомянуты ученые и их исследования, внесшие наиболее широкий вклад в разработку проектов ПХГ. Приведена информация о современном состоянии ПХГ в России.
Ключевые слова: подземные хранилища газа, газгольдеры, водоносные пласты, истощенные газоконденсатные месторождения.
Для цитирования: Хасанов И.И., Шакиров Р.А., Гильмутдинов Т.Д. Развитие подземных хранилищ газа в России и мире // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2019. № 5-6. С. 39-42.
DOI: 10.24411/0131-4270-2019-10608
Ilnur I. Khasanov, Ruslan A. Shakirov, Timur D. Gilmutdinov
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-3422-1237, E-mail: [email protected] ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7017-081X, E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]
Abstract: The object of the research is the history of the implementation of underground natural gas storages in the world and, in particular, the USSR. The main stages of the development of the Russian underground gas storage infrastructure are noted, the scientists, who made the broadest contribution to the development of underground gas storage projects, and their studies are mentioned, which made the broadest contribution to the development of underground gas storage projects. Information is provided on the current state of underground gas storage in Russia.
Keywords: underground natural gas storages, gas-holder, aquifer storages, depleted oil and gas fields.
For citation: Khasanov I.I., Shakirov R.A., Gilmutdinov T.D. DEVELOPMENT OF UNDERGROUND GAS STORAGE FACILITIES IN RUSSIA AND THE WORLD. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2019, no. 5-6, pp. 39-42.
DOI: 10.24411/0131-4270-2019-10606
Подземные хранилища газа (ПХГ) на протяжении многих лет имеют огромное промышленное значение в газотранспортной системе стран - потребителей газа. В [1] отмечается экономическая эффективность таких хранилищ по сравнению с наземными резервуарами, что проявляется в большей вместительности ПХГ, меньшем удельном расходе металла на их сооружение, а также их меньшей аварийности. Наличие ПХГ в регионах обеспечивает сглаживание сезонной неравномерности потребления газа, что особенно важно для стран типа России - с холодными зимами и удаленными от основного источника энергоресурса потребителями. В таких странах проектирование газотранспортной системы осуществляется исходя из ее средней производительности с сооружением ПХГ вблизи крупных потребителей.
Известно [2], что общий активный объем газа включает оперативный и долгосрочный резервы. Если оперативный резерв газа решает задачи компенсации сезонной неравномерности потребления газа и обеспечения поставок дополнительного объема газа в случае существенных климатических изменений или аварий, то долгосрочный (стратегический) резерв служит для компенсации погрешности при составлении перспективных планов ввода новых мощностей, а также обеспечения стабильного функционирования развития экономики на случай несвоевременного (запаздывающего) ввода в эксплуатацию мощностей по добыче и транспортировке газа;
Первое подземное хранилище газа было сооружено в Канаде в 1915 году в истощенной залежи в округе Уэлланд провинции Онтарио. Несмотря на очевидность данного способа, в первые годы после признания газа как ценного энергетического ресурса (конец XIX века) ученые не рассматривали хранение газа как ключевую проблему, сконцентрировавшись на проблеме транспорта - сооружении и эксплуатации газопроводов [3]. Впервые идею подземного хранения природного газа высказал и применил на практике вице-президент Национальной топливной газовой компании (National Fuel Gas Company) У. Дадж, высказав предположение о возможности использования старых газовых скважин в истощенных продуктивных пластах в качестве подземных хранилищ газа на основании неудачных опытов по осушке заброшенной соляной шахты вблизи Кливленда.
По мнению Даджа, при условии четкого определения границ эксплуатационного пласта вода является единственным препятствием перед подземным хранением газа. После его решения об исследовании газовых скважин месторождения Уэлланд на предмет их истощенности спустя несколько месяцев летом 1915 года в практически истощенные газовые скважины была произведена обратная закачка природного газа для удовлетворения потребностей потребителей в зимний период, что было успешно реализовано зимой 1916 года. Опыт показал возможность обратного извлечения газа, закачанного в мелкозернистый песок, и побудил компанию Iroquois Gas Company (одно из
дочерних обществ National Fuel Gas Company) применить данную технологию на другом истощенном газовом месторождении, Зоар, в штате Нью-Йорк.
После строительства одноименнной компрессорной станции на данном месторождении и снижения пластового давления до 0,34 МПа летом 1916 года были начаты эксперименты по закачке в пласт газа через скважины в нескольких местах с целью определения наиболее эффективного выработанного пласта, характеризующегося лучшим удерживанием газа. Следующим шагом была закачка 5,66 млн м3 газа в хранилище и отбор около 20% топлива в периоды экстремального спроса. Успешность проекта позволила компании перевести месторождение в режим хранилища, первого в США и действующего по сей день. Несмотря на это, коммерческое применение ПХГ в Канаде началось лишь в 1942 году.
Хранение газа в истощенных газоконденсатных месторождениях является эффективным с экономической точки зрения, поскольку при известных физико-геологических и эксплуатационных параметрах пласта-коллектора и его покрышки отпадает необходимость проведения геолого-разведочных работ. Другой положительной стороной применения данного метода является возможность использования скважин и оборудование старых промыслов по подготовке газа к транспорту. Принципиальная схема ПХГ в выработанных нефтегазовых месторождениях приведена на рис. 1.
В Советском Союзе проблема неравномерности использования природного газа возникла после окончания Великой отечественной войны при строительстве газопровода Саратов-Москва. Острый вопрос о необходимости регулирования суточной неравномерности потребления газа жителями и предприятиями Москвы привел к строительству на территории столицы семи газгольдерных станций, где были установлены металлические цилиндрические резервуары общей емкостью около 1,1 млн м3 газа. Накапливаемая в ночное время суток емкость составляла около 90% ежесуточной подачи газа по трубопроводу, что позволяло бесперебойно обеспечивать потребителей энергоресурсами в дневное время - часы максимального расхода.
После начала интенсивной добычи природного газа в середине 1950-х годов в стране резко встал вопрос о необходимости создания хранилищ большей емкости. 2 августа 1956 года Совет министров СССР принимает постановление о создании Главгаза - Главного управления газовой промышленности при Совете министров СССР, основными задачами которого стали добыча и хранение природного и искусственного газа. Эксплуатация запущенного в конце 1956 года газопровода Ставрополь-Москва, предназначенного для потребителей, среди которых выделяются такие крупные регионы, как Ростовская область, Донбасс, Москва, показала его уязвимость к сезонным и суточным колебаниям в поставке газа. Отличие нового магистрального трубопровода от других, заключающееся в наличии попутных потребителей газа, привело к недополучению энергоресурсов Москвой в дни потребления другими регионами газа сверх нормы. Другой потенциально важной проблемой стала необходимость снижения давления в трубопроводе в случае аварий на газопроводах-отводах. Наиболее доступным решением проблемы являлось создание подземных хранилищ газа в водоносных
Рис. 1. Схема ПХГ в выработанных нефтегазовых месторождениях
1. Строительство газомотокомпрессорного цеха Калужского ПХГ [61
пластах. Отсутствие истощенных нефтегазовых месторождений в центральных регионах СССР привело к необходимости применения инновационных технологий, ранее не применявшихся на территории страны и не изучавшихся в научно-исследовательских институтах и вузах.
Во время разработки будущих Калужского и Щелковского ПХГ в 1958 году была выполнена первая закачка газа в Башкатовскую истощенную газовую залежь Куйбышевской области (ныне - Самарская область). После пятилетней разработки залежи и последующего снижения пластового давления было принято решение о переориентировании газового месторождения в подземное хранилище газа. После успешных результатов по ликвидации колебаний потребления газа в г. Бугуруслане, в августе 1959 года Башкатовское ПХГ вводится в промышленную эксплуатацию [4, 5].
Необходимость обеспечения строительства ПХГ для Москвы, Ленинграда, Киева и Горького за первую половину 1960-х годов, подчеркнутая Постановлением Совета министров СССР от 2 июля 1959 года «Об организации подземного хранения газа в СССР», подразумевала только успешный исход закачки газа в Калужское (фото 1) и Щелковское ПХГ, что было начато в 1959 и 1960 годах соответственно.
Дальнейший опытный отбор газа из подземных хранилищ показал успешный опыт создания первых ПХГ в водоносных
| 2. Гатчинское ПХГ [6]
| Рис. 2. Схема ПХГ в водоносных пластах
| Рис. 3. Схема ПХГ в отложениях каменной соли
пластах и позволил реализовать подобные объекты близ Ленинграда (Гатчинское, Колпинское), Киева (Олишевское), Ташкента (Полторацкое). Весомый вклад в продолжение развития инфраструктуры подземного хранения газа внесли ученые А. Хейн, С. Бузинов, П. Алтухов. Проведенные опыты, показавшие зависимость коэффициента вытеснения воды газом от скорости ее фильтрации и скорости движения границы газоводяной смеси, а также отсутствие поршневого вытеснения воды газом, имели важное значение при
строительстве подземных хранилищ газа в европейской части Советского Союза. Немаловажную роль при строительстве уникального Гатчинского ПХГ (фото 2) сыграли теоретические работы И. Чарного, рассматривающие хранение газа в горизонтальных и пологопадающих водоносных пластах. Данная методика заключается в очень медленном расплывании газового объема в водонасыщенной пористой среде, при котором утечки не имеют существенного значения.
Несмотря на весомые сложности, возникшие при разработке подземных хранилищ газа в водоносных пластах, их принципиальная схема (рис. 2) практически не отличается от традиционных ПХГ в выработанных нефтегазовых месторождениях и выделяется лишь наличием слоев газо-водоупора. Это связано с тем, что в таких хранилищах газа под давлением закачиваемого газа влага распределяется по стенкам коллектора, вдаливаясь в их поры, и остается там, образуя соответствующий непроницаемый для газа слой. Такое различие между рассматриваемыми типами ПХГ незначительно для технологических процессов закачки газа в пласт, эксплуатации хранилищ газа и их обслуживания, а также выбора эксплуатируемого оборудования.
Дальнейшее развитие Единой системы газоснабжения (ЕСГ) СССР в конце 1960-х годов охарактеризовалось возможностью создания ПХГ в истощенных месторождениях близ магистральных газопроводов, в частности в Краснодарском крае. Также в это время производятся подготовительные работы по созданию крупнейших Касимовского и Северо-Ставропольского ПХГ - двух из трех крупнейших объектов подземного хранения газа России с активной емкостью более 5 млрд м3. Несмотря на сложности с реализацией последнего, связанные с сопротивлением специалистов по причине его неистощенного состояния, сегодня Северо-Ставропольское ПХГ является самым крупным подземным хранилищем с суточной производительностью, составляющей треть от общего отбора газа ПАО «Газпром» по всей стране.
В начале 1980-х годов в Мингазпроме обосновывается концепция о необходимости строительства хранилищ со страховочными и долгосрочными резервами для покрытия повышенного спроса газа в дни зимних похолоданий. Исходя из нее, Газпромом были разработаны стратегические планы по строительству и модернизации ПХГ до 2030 года.
Еще одним типом подземных хранилищ газа, применяемых в России, являются ПХГ в отложениях каменной соли (рис. 3). Емкость в каменной соли создается обычно путем выщелачивания ее водой через скважины, которые используются затем при эксплуатации хранилища. После доведения размера подземной емкости до необходимого путем опускания водоподающих и рассолоотводящих труб и закачки воды в пласт создается возможность закачки газа при дальнейшей эксплуатации хранилища стандартными средствами, используя скважины и компрессорные установки.
Дополнительным плюсом такого месторождения служит существенное уменьшение стоимости создания емкости для хранения газа по сравнению с другими горными породами, а также возможность оперативного перевода из режима закачки в режим отбора и обратно. За последние годы в России было введено в эксплуатацию первое в стране подземное хранилище газа такого типа - Калининградское ПХГ
[7] с суммарным активным объемом газа 70 млн м3; также Волгоградское ПХГ, где впервые в мире был сооружен подземный резервуар тоннельного типа.
На сегодняшний день в ПАО «Газпром» эксплуатируется 26 ПХГ, из которых семь расположены в водоносных пластах, одно - в соляных кавернах, а оставшиеся 17 - в истощенных газоконденсатных месторождениях с общим объемом более 110 млрд м3 и максимальным суточным отбором газа 812 млн м3. Эксплуатационный фонд скважин на ПХГ насчитывает 2683 единицы. Строятся и проектируются шесть объектов ПХГ, для девяти ПХГ разведываются площади под соответствующие объекты [6]. Среди основных проблем, возникающих в ходе эксплуатации ПХГ, в настоящее время выделяются снижение производительности скважин по причинам образования пробок, а также несоответствие обвязки устья скважин современным
требованиям правил безопасности, достижение предельного срока эксплуатации по результатам технического диагностирования.
Таким образом, сегодняшнее состояние ЕГС России -не имеющего аналогов в мире объекта транспорта энергоресурсов потребителям - во многом обеспечивается за счет масштабного строительства подземных хранилищ газа. Научные исследования, проведенные в конце 1950-х годов, помогли эффективно развить систему газоснабжения России и ликвидировать сезонные колебания по отбору газа для множества потребителей независимо от времени года, колебаний температуры и других факторов. Наиболее актуальной задачей в настоящее время является поддержание производительности объектов ПХГ путем проведения своевременных ремонтных работ и модернизации оборудования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хан С.А., Самсонов Р.О., Рубан Г.Н., Гарайшин А.С. Перспективы и необходимость создания подземных хранилищ газа на территории Республики Татарстан // Георесурсы. 2010. № 4 (36). С. 8-11.
2. Газовое хранилище. URL: https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/007/951.htm (дата обращения 16.11.2019).
3. Джафаров К.И., Хвостова В.Ю., Пахомов А.В. История создания подземных хранилищ газа // Вести газовой науки. 2015. № 4 (23). С. 122-127.
4. Даминов У.Р., Исламов М.К. Развитие подземного хранения газа в России // Нефтегазовое дело: электрон. науч. журн. 2014. № 6. С. 699-707. URL:http://ogbus.ru/files/ogbus/issues/6_2014/ogbus_6_2014_p699-707_DaminovUR_ ru.pdf (дата обращения 16.11.2019).
5. Самсонов Р.О., Бузинов С.Н., Рубан Г.Н., Джафаров К.И. История создания организации подземного хранения газа в СССР - России // Георесурсы. 2010. № 4 (36). С. 2-7.
6. Хранители газа. ПАО «Газпром». URL: https://www.gazprom.ru/press/news/reports/2016/gas-keepers/ (дата обращения 16.11.2019).
7. Калининградское подземное хранилище газа в отложениях каменной соли. ПАО «Газпром». URL: https://invest. gazprom.ru/about/projects/kstorage/ (дата обращения 16.11.2019).
REFERENCES
1. Khan S.A., Samsonov R.O., Ruban G.N., Garayshin A.S. Prospects and necessity to create underground gas storage facilities in the Republic of Tatarstan. Georesursy, 2010, no. 4 (36), pp. 8-11 (In Russian).
2. Gazovoye khranilishche (Gas storage) Available at: https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/007/951 .htm (accessed 16 November 2019).
3. Dzhafarov K.I., Khvostova V.YU., Pakhomov A.V. The history of the creation of underground gas storage. Vestigazovoy nauki, 2015, no. 4 (23), pp. 122-127 (In Russian).
4. Daminov U.R., Islamov M.K. Development of underground gas storage in Russia. Neftegazovoyedelo, 2014, no. 6, pp. 699-707 (In Russian). Available at: http://ogbus.ru/files/ogbus/issues/6_2014/ogbus_6_2014_p699707_DaminovURru. pdf (accessed 16 November 2019).
5. Samsonov R.O., Buzinov S.N., Ruban G.N., Dzhafarov K.I. The history of the organization of underground gas storage in the USSR - Russia. Georesursy, 2010, no. 4 (36), pp. 2-7 (In Russian).
6. Khraniteligaza. PAO «Gazprom» (Keepers of gas. PJSC Gazprom) Available at: https://www.gazprom.ru/press/news/ reports/2016/gas-keepers/ (accessed 16 November 2019).
7. Kaliningradskoye podzemnoye khranilishche gaza v otlozheniyakh kamennoy soli. PAO «Gazprom» (Kaliningrad underground gas storage in rock salt deposits. PJSC Gazprom) Available at: https://invest.gazprom.ru/about/projects/ kstorage/ (accessed 16 November 2019).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Хасанов Ильнур Ильдарович, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Шакиров Руслан Азатович, магистрант кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Гильмутдинов Тимур Динарович, аспирант кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Ilnur I. Khasanov, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
Ruslan A. Shakirov, Master Student of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University. Timur D. Gilmutdinov, Postgraduate Student of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
