Как устроены подземные газовые хранилища: подходящие способы хранения природного газа

Казалось бы, знания о том, как устроены подземные газовые хранилища прикладного значения для рядового пользователя не имеют. Но человечество слишком зависимо от «голубого» топлива и так хочется быть уверенным, что перебоев с его поставками никогда не будет. Ведь верно?

И каждого соотечественника может успокоить информация о газовых хранилищах, расположенных под землей (ПХГ) — пока они полны проблем с газоснабжением не будет. Подробнее об устройстве хранилищ и особенностях хранения читайте в нашей статье.

Устройство подземных газовых хранилищ

Если для хранения газа для бытовых нужд владельцы частных домов используют газгольдеры, то в масштабах государства речь идет совсем о других вариантах хранения. Так, официально подземные хранилища газа — это комплексы инженерно-технических сооружений, которые служат для закачки, хранения и отбора «голубого» топлива. Состоят они из наземных и подземных компонентов.

К наземным относятся:

• газораспределительный пункт, который служит для распределения газового потока на несколько технологических;
• компрессорный цех, где происходит подготовка топлива (повышением давления) к закачке в скважины;
• установки для очистки газа.

Подземными компонентами ПХГ являются: скважины, выработки, емкости. И последний пункт (емкости) является наиболее интересным — от того, где хранится «голубое» топливо зависит как устроено само газовое хранилище.

Современные подземные газовые хранилища внешне схожи с крупными заводами. Так как для обеспечения закачки/отбора топлива необходимо использовать мощное компрессорное, очистительное и другое оборудование. Которое обслуживают сотни, а то и тысячи специалистов

Обзор емкостей для хранения газа

При одинаковом весе газ занимает гораздо большие площади, чем какие-либо твердые тела. А поскольку он используется в огромных количествах, то для его хранения нужны такие же емкости.

Причем от хранения газа в сделанных человеком наземных резервуарах специалисты отказались еще век назад.

Причина в том, что для этого понадобилось бы:

• занять огромные площади планеты комплексами для хранения «голубого» топлива низкого давления;
• использовать дорогостоящие и взрывоопасные газгольдеры высокого давления.

В результате, чтобы нивелировать перечисленные выше негативные моменты, выбор был сделан в пользу подземных хранилищ, а таковыми считаются емкости, находящиеся на значительной глубине. Которая, в большинстве случаев, составляет от 300 до 1000 метров. И хранить там топливо можно в резервуарах, созданных природой.

Всего инженеры научились успешно использовать 7 видов природных резервуаров для хранения газа:

• образовавшиеся в водонасыщенных пористых пластах;
• сохранившиеся после выработки углеводов, а именно того же газа, нефти;
• образованные в отложениях каменной соли;
• созданные в горных выработках рудников;
• созданные в прочных вечномерзлых породах;
• с низкотемпературной льдопородной оболочкой;
• образовавшиеся после подземных атомных взрывов.

Хотя вариантов много, но практичностью отличаются только 4 первых способа хранения газа. Остальные варианты резервуаров подходят лишь теоретически.

Северо-Ставропольское ПХГ самое крупное в мире и запас хранимого там газа способен удовлетворить годовую потребность в топливе такой крупной страны, как Франция. Так как площадь хранилища составляет целых 680 км²

Причина непрактичности оставшихся трех вариантов в следующем:

• В мерзлых породах газ хранить можно, подтверждением этого являются несколько действующих хранилищ в северных районах планеты. Но их объемы крайне незначительные, поэтому какого-либо промышленного значения на сегодня не имеют.
• Емкости, образованные подземными ядерными взрывами, вполне пригодны для хранения существенных запасов газа, что уже доказано экспериментально. Но суть в том, что мощное оружие испытывали подальше от мест проживания людей. Поэтому там обычно нет потребителей, инженерных коммуникаций.

В результате указанные разновидности емкостей просто непригодны для использования.

Хотя ПХГ именуются хранилищами, но на самом деле сбережение газа является не первоочередной их задачей. Так как находящееся в них по большей части используется для сглаживания неравномерностейи потребления. Которое бывает суточным, недельным, сезонным. Только в последнюю очередь ПХГ создаются для нивелирования последствий форс-мажорных обстоятельств.

Далее рассмотрим детальнее каждый из вариантов хранения газа под землей.

Вариант #1 — хранилища в водонасыщенных пластах

Хранилища в водонасыщенных пластах предназначены для нивелирования последствий сезонной неравномерности при использовании газа. А также для создания стратегических резервов.

Важная особенность устройства подобных хранилищ заключается в минимальном участии человека — чаще всего на этапе создания скважин, необходимых для закачивания газа.

На карте России видно, что ПХГ расположены рядом с магистральными газопроводами и крупными населенными пунктами. И это неслучайно, так как хранилища и предназначены обеспечивать стабильность потреблению газа для чего они и должны быть в непосредственной близости от крупных объектов

Указанные емкости ищут в артезианских пластах. Хранилища газа создают там, где структура породы проницаемая, пористая. Остатки жидкости удаляют газом, который сжимает ее, а затем выдавливает.

Сами, так называемые, емкости для хранения топлива таковыми на деле и не являются. Точнее их вообще нет — в качестве места для хранения используют пустоты в пористых пластах. И вся процедура создания газового хранилища состоит в вытеснении части воды на периферию. Делают это с целью создания пространства для «голубого» топлива.

Выполнить описанную выше процедуру получится только, если этому способствуют ряд факторов:

• Пористый проницаемый пласт покрыт куполом (покрышкой) из газонепроницаемых пород, которыми обычно являются прессованные глины.
• Водоносный слой распространяется от границ хранилища на десятки километров. А еще лучше, если он имеет выход на поверхность. Все перечисленное дает возможность газу успешно выдавливать находящуюся в пласте воду.
• Протяженность купола достаточная, чтобы обеспечить возможность хранить значительные объемы газа.
• Пористость и проницаемость породы обеспечивает приемлемую вместительность газа и способность отдавать его при разработке.

Если хотя бы одно из условий не соблюдается, то создать подземное хранилище будет невозможно.

Принцип работы современных подземных хранилищ прост. Рассмотреть особенности можно на примере крупных ПХГ использующихся для сглаживания сезонных неравномерностей.

Так, обычно в теплое время года в них закачивают нужное количество газа. Который начинают отбирать только с наступлением отопительного сезона. Причем в магистральную трубу направляется не какое-то огромное количество газа, а среднестатистическое, известное по опыту эксплуатации в прошлые зимы.

А, если вдруг температура резко снизится и суточное потребление станет на порядок выше, то крупный ПХГ все равно не будет увеличивать объемы отбора. А нехватку покроют небольшие хранилища, предназначенные для сглаживания суточного, недельного потребления. Причина в том, что из них проще и быстрей произвести отбор.

Оптимальными считаются емкости площадью от нескольких квадратных километров. С разницей высот дна и верхушки купола в пределах 10-15 метров

Преимуществом ПХГ в водонасыщенных пластах является существенная вместительность. А недостатком считается то, что геологи при изучении особенностей водоносного горизонта могут не выявить и не учесть какого-то важного фактора. В результате чего хранилище окажется непригодным для использования.

А самое плохое в том, что это нередко выявляется после огромных капиталовложений на постройку наземной и подземной инфраструктуры. Достаточно часто встречаются и менее значительные неприятности от чего эксплуатация ПХГ в водононасыщенных породах сопровождается значительными незапланированными издержками.

Вариант #2 — емкости после выработки углеводородов

Инженерные комплексы, которые относятся к этому виду, служат для сглаживания сезонных колебаний потребления «голубого» топлива. А также для создания стратегических запасов.

Подземные хранилища являются востребованными из-за того, что их создание и эксплуатация наиболее выгодны экономически. А огромные наземные газгольдеры (изображены на фото) используются, если нет возможности использовать магистральные газопроводы с ПХГ. Кроме того, в емкостях, изображенных на фото, обычно хранят исключительно сжиженный газ

Устройство хранилищ этого вида такое же, как и в случае с аналогами, созданными в водонасыщенных пластах. То есть топливо хранится в пустотах пористых пород.

ПХГ, созданных в горных породах, где когда-то находились углеводороды, в мире больше всего. Так, их количество достигает значительных 70%, причиной этому ряд преимуществ.

К которым относятся: существенная вместительность и экономия на капиталовложениях в разведку, создании инфраструктуры или хотя бы ее части, бурении — на месте создания таких ПХГ уже проводилась добыча нефти, газа.

Следует понимать то, что прикопанные газгольдеры подземными хранилищами не являются. Так как они предназначены для решения совсем других задач. И под землей они оказываются только для того, чтобы сделать испарение сжиженного газа более эффективным в сильные морозы. Причем без каких-либо затрат. А также условно подземное размещение газгольдеров позволяет экономить полезное пространство, где нибудь на приусадебном участке

Но идеальными емкости, сохранившиеся после выработки углеводородов назвать нельзя.

Они имеют немало недостатков:

• проблемы с герметичностью старых скважин — особенно это касается бывших месторождений нефти;
• недостаточная пористость, проницаемость пород;
• смешивание газа с остатками нефти — что иногда приводит к существенным убыткам, так как полученную смесь использовать уже не получится.

А также нередко на нефтяных месторождениях у газа возникает опасная примесь в виде сероводорода. Который вреден для здоровья людей, а еще разрушает всевозможные конструкции из стали, причем даже относящиеся к нержавеющим.

Эксплуатация ПХГ, основанных на местах истощенных залежей углеводородов, возможна в виду того, что газ при закачивании вытесняет остатки нефти из нужного пласта. К тому же она, как и вода, обладает эффектом сжимаемости и подвижности, что облегчает задачу по обустройству емкости. Иногда нефть под давлением газа выдавливается не в породу, а подымается на верх, что становится дополнительным источником прибыли.

Вариант #3 — резервуары в отложениях каменной соли

Такие емкости с газом служат для сглаживания суточной, недельной неравномерности его использования, а также принимают участие в нивелировании сезонной. Кроме того, хранилища в соляных пластах успешно справляются с ролью резервного источника для важных потребителей.

Существует только 2 востребованных способа хранения газа под землей. А именно в проницаемых пористых пластах и кавернах, вымытых в залежах соли. Первый вариант используется, когда нужно создать крупное хранилище, второй — только для решения локальных задач

Создаются указанные ПХГ методом вымывки части отложений соли с целью создания полости необходимого размера. Для чего изначально бурят несколько скважин, через которые продолжительный промежуток времени подается вода.

Хотя описанная процедура длительная и затратная, но она окупает себя, так как хранение закачанного природного газа происходит без потерь. Причина в том, что соляные пещеры отличаются герметичностью. Кроме того, они обладают эффектом самозаживления — тектонические и другие трещины достаточно быстро зарастают соляными отложениями.

Преимущество устройства таких подземных хранилищ газа в том, что отбор нужного объема топлива происходит практически без ограничений по скорости. Которая в разы выше, чем при выполнении таких же операций в емкостях других видов. А также важным достоинством ПХГ, обстроенных в соляных пещерах, является высокий процент отбора газа — один из самых высоких среди всех его видов.

Порода для хранения газа должна быть такой, как показано на фото. То есть проницаемой и иметь достаточно места для размещения большого объема топлива. Кроме того, структура пласта должна позволять легко вытеснять воду и остатки нефти

Но количество кавернов в соляных пластах не превышает 2% от общего числа хранилищ.

На такой показатель влияют ряд негативных моментов:

• Наличие огромного количества соленной воды после вымывания пещер для сбережения газа. В результате, если рядом нет моря или хотя-бы перерабатывающих соль заводов, девать жидкость некуда. Что является основной причиной малого количества подобного рода ПХГ.
• Уменьшение полезного объема во время эксплуатации. К такому явлению приводит испарение соли в местах с более высоким давлением и накапливание там, где оно ниже.
• Появление в газе примесей, которыми часто становятся остатки жидкости, ранее использованной для вымывания пещеры.
• Незначительные объемы, что не позволяет создавать запасы в достаточных количествах.

В результате соляные хранилища обычно используют только там, где нет возможности применять перечисленные выше виды емкостей.

Вариант #4 — ПХГ в горных выработках

Их объемы незначительные. Тем не менее шведы с норвежцами хранят часть своих стратегических запасов газа в емкостях именно такого вида.

ПВХ в горных выработках — единственное газовое хранилище, полностью обустроенное человеком. Так, в одной из шахт взрывами создают емкость, которую далее обшивают стальными листами.

Так выглядят соляные каверны, используемые для хранения газа. Они герметичные и надежные, но имеют ограниченные размеры, поэтому пригодны для создания ПХГ незначительного объема. Причем исключительно для решения локальных задач. К примеру, в России из 27 использующихся на сегодня хранилищ лишь 2 является соляными

Хотя ПХГ в заброшенных шахтах эксплуатировать выгодно, из-за высокого процента и скорости отбора, но в ближайшем будущем их количество значительно не увеличится. Причина в том, что описанные хранилища сложно строить. Так как не всегда получается добиться полной герметичности, что приводит к значительным убыткам.

Так случается из-за того, что при эксплуатации шахты туда стараются подвести максимальное количество воздуха. Для чего создается система вентиляции с массой выходов на поверхность, которые при обустройстве хранилища не всегда получается запечатать.

В результате, на сегодня, есть всего несколько успешных примеров реализации идеи хранения газа в заброшенных шахтах (на территории Швеции, Норвегии, Германии).

Герметичны ли хранилища?

Утечки топлива являются частыми процессами, избежать которых невозможно. Так как причин слишком много.

Для удобства их делят на 3 категории:

• геологические;
• технологические;
• технические.

К группе геологических причин относят неоднородность покрышек ПХГ, наличие тектонических разломов, а также особенности гидродинамики и геохимии. К примеру, газ может просто мигрировать по пласту, и специалисты на это никак не повлияют.

Технологические причины относятся к наиболее частым так, как регулярно случаются ошибки при оценке каких-либо фактов. К примеру, эффективности гидроловушек, запасов газа, происходящих физико-химических процессов.

Нередко, чтобы добраться до нужных пластов применяется бурение скважин. Причем его технология ничем не отличается от аналогичных процедур при попытке добраться к залежам газа, нефти

Технические причины чаще всего связаны с состоянием используемых скважин, с помощью которых осуществляется закачка газа.

Особенности создания ПХГ

В 95% случаев ПХГ создаются выдавливанием газом воды, остатков нефти из пористых пластов. Таким образом создаются «емкости» для хранения «голубого» топлива.

А самой главной особенностью является то, что применявшийся для выдавливания жидкостей объем газа в дальнейшем не может быть использован для поставки потребителям. Его задача заключается в том, чтобы не допустить возвращения воды, остатков углеводородов на старое место. В противном случае хранилище просто перестанет существовать.

То есть указанный газ является буферным. Его, как правило, бывает не меньше половины от всего объема, закачанного в ПХГ. А в отдельных случаях буферного газа в 3 раза больше, чем того, что можно использовать для поставки потребителям, который называется активным.

Интересно, что количество буферного газа предварительно исчислить невозможно. То есть все проверяется исключительно экспериментальным способом. На что во многих случаях тратятся годы. Но все же, когда полученный результат неудовлетворительный, то буферный газ можно выкачать в полном объеме.

Порядок заполнения хранилища

После того, как геологи выполнили исследования какого-либо пласта и приняли решение о том, что в нужном месте можно создать газовое хранилище, газодобытчики строят инженерный комплекс.

Современные ПХГ являются самым безопасным способом хранения запасов газа. Но его частые утечки являются большой проблемой для газовщиков и экологов, которые считают такие случаи существенной проблемой для окружающей среды. А бывает и так, как изображено на фото (вдали виден пожар на одной из венгерских ПХГ)

А далее начинается закачка в будущее ПХГ «голубого» топлива, которое подводится от ближайшего магистрального трубопровода. И поступает на площадку очистки, где происходит удаление всевозможных механических примесей.

Чистое топливо подается на пункт учета и замера. А после этого в компрессорный цех, где производится компримирование — так называется подготовка газа к закачиванию в хранилище. Она представляет собой повышение давления газа до нужного значения.

Затем он транспортируется на газораспредительные пункты. Где общий поток делится на несколько и поступает в разные технологические линии. Откуда по шлейфам направляется в скважины для закачивания.

На протяжении всего процесса специалисты контролируют ряд параметров, среди которых давление и температура газа, производительность каждой скважины.

Выводы и полезное видео по теме

Приложенный ниже видеоматериал посвящен теме создания ПХГ для сглаживания неравномерного потребления топлива, которое будет поставлять газопровод «Сила Сибири».

Подземные газовые хранилища являются наиболее надежным и выгодным способом нивелирования неравномерного потребления газа и его стабильной подачи при форс-мажорах. А самое интересное, что за это нужно благодарить не человеческий гений, а природу, предусмотрительно создавшую подходящие для этого пласты пород.

Вы лично принимали участие в создании подземных хранилищ для газа и хотите дополнить изложенный выше материал полезными сведениями? Или заметили несоответствие в фактах? Оставляйте свои замечания и комментарии — блок обратной связи расположен ниже под статьей.