способ сооружения и эксплуатации подземной емкости для газа на газонаполнительных станциях

Формула изобретения

1. СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНОЙ ЕМКОСТИ ДЛЯ ГАЗА НА ГАЗОНАПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЯХ, включающий формирование емкости с последующей закачкой в нее газа и подачей его потребителю на устье, отличающийся тем, что предварительно задают максимально допустимый расход газа и температуру его отбора на устье в зависимости от значения максимально допустимого расхода с учетом исключения гидратообразования при подаче газа потребителю, а формирование емкости осуществляют путем бурения скважины на глубину, исключающую гидратообразование при заданных значениях температуры и расхода газа на устье с коррекцией на температурный градиент по разрезу скважины, причем скважину изолируют от горных пород с герметизацией на устье и на забое.

2. Способ по п. 1 отличающийся тем, что скважину изолируют путем спуска заглущенной на забое герметичной металлической колонны.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что герметизированную металлическую колонну дополнительно тампонируют.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скважину изолируют путем крепления ее колонной труб с тампонированием и размещением в ней дополнительной герметичной емкости.

5. Способ по пп. 1 и 4, отличающийся тем, что пространство между дополнительной емкостью и колонной труб заполнено рабочей жидкостью.

6. Способ по пп. 1 - 5, отличающийся тем, что закачку газа производят путем нагнетания его на забой скважины.

7. Способ по пп. 1 - 6, отличающийся тем, что в процессе эксплуатации осуществляют дополнительную подкачку газа в скважину.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области хранения сжатых и сжиженных газов, а именно к установкам для хранения и раздачи сжатого газа, используемого в качестве моторного топлива, в частности на автозаправочных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС).

Известны способы хранения сжатых газов в проницаемых пластах горных пород под землей [1] . При этом геофизическими методами и при помощи структурного бурения отыскивается пласт-коллектор, изолированный со всех сторон непроницаемыми породами, бурятся скважины, сообщающие этот пласт с поверхностью и являющиеся впоследствии каналом для нагнетания газа в пласт и раздачи его потребителю.

Недостатками указанного способа хранения являются: сложность поиска пласта-коллектора и нередкое его отсутствие в необходимом районе; потери газа в пласте-коллекторе из-за миграции газа в изолирующие пласты по микротрещинам как естественного происхождения, так и образующимся в процессе закачки и отбора газа в хранилище; нерегулируемая и зависящая только от горно-геологических условий глубина заложения хранилища, не позволяющая получать газ с температурой, регламентированной потребителем.

Известен также способ сооружения подземной емкости для хранения сжатых и сжиженных газов в изолированных подземных кавернах или горных выработках [2] . При этом используется подземная каверна или заброшенная горная выработка, расположенные в плотных горных породах на глубине, доступной для строительно-монтажных работ с проникновением туда людей. Горная выработка (каверна) изолируется с целью возможных утечек хранимого агента в слагающие ее породы и сообщается каналом с поверхностью для заполнения и раздачи сжатого или сжиженного газа.

Недостатком этого способа хранения является случайно выбранная глубина горной выработки, не позволяющая поддерживать высокую температуру (десятки ^оС) хранимого сжатого газа для предотвращения гидратообразования при его раздаче потребителю, а также ведение строительно-монтажных и последующих ремонтных работ с нахождением людей под землей в опасных горных условиях.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ сооружения и эксплуатации подземной емкости для хранения газа в виде газгольдера, располагаемого в устойчивой каверне и изолированного от вмещающих каверну горных пород путем покрытия стенок подземной каверны выравнивающим слоем твердеющего раствора с нанесенной на него многослойной оболочкой [3] .

Газгольдер соединяется с поверхностью при помощи забетонированного в земле комингса.

Недостатком указанного технического решения также является невозможность исключения гидратообразования при раздаче газа потребителю, так как при расширении газа на выходе из хранилища из-за разницы давлений (до 20 МПа) в хранилище и в системах потребления (в газовых магистралях потребителя) образуются гидратные пробки, которые резко снижают эффективность и безопасность работы газовых систем.

Целью изобретения является исключение гидратообразования в момент раздачи его потребителю из подземной емкости.

Поставленная задача решается предлагаемым способом сооружения и эксплуатации подземной емкости для газа на газонакопительных станциях, включающим формирование емкости с последующей закачкой в нее газа и подачей на устье потребителю, отличительная особенность которого состоит в том, что предварительно задают максимально допустимый расход газа и температуру его отбора на устье в зависимости от значения максимально допустимого расхода, а формирование емкости осуществляют путем бурения скважины на глубину, исключающую гидратообразование при заданных температуре и расходе газа на устье с коррекцией на температурный градиент по разрезу скважины, причем скважину изолируют от горных пород с герметизацией на устье и на забое.

В предпочтительных вариантах целесообразно: изолировать скважину путем спуска заглушенной на забое герметичной металлической колонны; дополнительно тампонировать герметизированную металлическую колонну; изолировать скважину путем крепления ее колонной труб с тампонированием и размещением в ней дополнительной герметизированной емкости; заполнять пространство между дополнительной емкостью и колонной труб жидкостью.

Способ предусматривает дополнительную подкачку газа в скважину в процессе эксплуатации для исключения резкого снижения температуры и давления и возможности образования в этих условиях гидратов. Для этих же целей осуществляют подачу газа на забой скважины.

На фиг. 1 изображена емкость в виде скважины с герметизированной, затампонированной колонной; на фиг. 2 - то же, в виде дополнительного герметичного сосуда, размещенного в скважине.

Сущность способа заключается в следующем.

Известными способами бурится скважина 1 (фиг. 1), которую изолируют от горных пород и герметизируют на устье и на забое.

Изоляция скважины может осуществляться путем спуска металлической герметичной обсадной колонны 2, заглушенной снизу и при необходимости разобщаемой от горных пород известными методами при помощи тампонажного материала 3.

Обсадная колонна рассчитывается на необходимую прочность по известным методикам. На всю глубину скважины спускается открытая снизу колонна 4 насосно-компрессорных труб, соединяемая на поверхности трубами 5 через кран 6 высокого давления с нагнетательной системой (в частности, компрессором). Пространство между колоннами 2 и 4 герметизировано устройством 7 (возможно применение стандартных герметизирующих устройств). Хранилище в виде обсадной колонны сообщается с потребителем через раздаточную линию 8, оснащенную краном 8 высокого давления.

При реализации способа предварительно задают максимально допустимый расход газа и температуру его отбора на устье, исходя из условия исключения гидратообразования на устье при подаче газа потребителю.

С целью поддержания заданной температуры сжатого газа в хранилище для исключения гидратообразования при его раздаче потребителю на заправочных газонаполнительных станциях бурение скважины производят на определенную глубину.

Длина спускаемой обсадной колонны (и, в пределах точности до 0,3 м, глубина бурения скважины) определяется на основании термодинамических расчетов движения флюидов в газовых скважинах.

Однако, в отличие от существующих при этом расчетах условий (источник газа - газоносные горные породы, сообщающиеся с открытой в нижней части обсадной колонной) в рассматриваемом случае обсадная колонна принимается герметичной по всей длине и на забое и не сообщающейся с горными породами, а источником газа, подаваемым на забой (а в необходимых случаях - на любую высоту от забоя) обсадной колонны, является нагнетательная система (в частности, компрессор), подающая газ по насосно-компрессорным трубам с поверхности на забой обсадной колонны.

В зависимости от объема хранимого газа при заданных размерах (диаметрах) скважины, обсадной колонны и труб для подачи газа в скважину, а также давления, влагосодержания, расхода закачиваемого и отбираемого газа и его температуры на входе и выходе определяется глубина скважины по следующей формуле:

H = C₁+C₂T+C₃T² где Т - температура газа на устье скважины, заданная потребителем, K; С₁, С₂, С₃ - термодинамические эмпирические коэффициенты, рассчитываемые для приведенных условий в зависимости от геотермального градиента, естественной температуры пород, коэффициентов теплопроводности пород, твердеющего раствора между стенками скважины и обсадной колонны, обсадных и насосной компрессорных труб.

Указанная формула получена на основании термодинамических зависимостей для вышеприведенных условий при одновременном движении флюида в затрубном пространстве и насосно-компрессорных трубах и характеризует зависимость влияния температуры выходящего из скважины газа от глубины скважины.

Таким образом, для решения поставленной задачи предварительно задают максимально допустимый расход газа и температуру его отбора на устье, а бурение скважины производят на глубину, исключающую гидратообразование при указанных значениях расхода и температуры газа с коррекцией на температуртный градиент по разрезу скважины.

Выбор указанного параметра в качестве корректирующего обусловлен тем, что именно этот параметр является переменным по глубине скважины, в то время как теплофизические свойства других (цементное кольцо, трубы, порода) являются для данной скважины постоянными.

Способ предусматривает несколько вариантов реализации операции по изоляции скважины.

Скважину можно изолировать путем спуска заглушенной на забое герметичной металлической колонны, а при необходимости дополнительно тампонировать ее различными теплоизолирующими материалами с учетом их теплофизических свойств.

Изоляция может также осуществляться путем крепления ее колонной труб с тампонированием и размещением в ней дополнительной герметичной емкости 9 газа (фиг. 2). Причем пространство между дополнительной емкостью и колонной труб может быть заполнено рабочей жидкостью 10 с целью улучшения условий теплопередачи.

Использование дополнительной герметичной емкости обеспечивает возможность извлечения ее из скважины для осмотра и ремонта, а также возможность контроля за процессом эксплуатации и утечками газа, который может по кольцевому пространству выходить из устья и там регистрироваться.

Выбор вида изоляции стенок скважины от горных пород будет определяться горно-геологическими условиями, а также технико-экономическими соображениями.

Способ предусматривает дополнительную подкачку газа в скважину в процессе эксплуатации для исключения резкого снижения температуры и давления и возможности образования в этих условиях гидратов.

С этой же целью осуществляют подачу газа на забой скважины.

П р и м е р. На автоматической газонаполнительной компрессорной станции (АГНКС) необходимо построить хранилище сжатого газа (аккумулятор), в котором с целью уменьшения гидратообразования при раздаче потребителю газ будет сохранять температуру, близкую, например, к максимальной температуре наружного воздуха в летнее время в данном районе (308К). При этом известны (заданы потребителем) следующие данные: хранимый газ - метан; давление закачки 25 МПа; влажность газа 0,09 г/м³; температура нагнетаемого газа на входе в хранилище 311К; объемный расход нагнетаемого газа 3400 м³/ч; объемный расход при раздаче 3400 м³/ч; диаметр скважины 0,349 м; наружный диаметр обсадной колонны 0,273 м; внутренний диаметр обсадной колонны 0,248 м; наружный диаметр насосно-компрессорных труб 0,089 м; внутренний диаметр насосно-компрессорных труб 0,076 м; температура нейтрального слоя 273 К.

Для данных горно-геологических условий (Московская область) проводятся термометрические измерения в водяных скважинах и по справочным данным находят коэффициент теплопередачи породы (2,19 Вт/м К), коэффициенты теплопередачи труб (46,44 Вт/м К) и цементного кольца (0,42 Вт/м К).

На основании термодинамических зависимостей, использованных при получении формулы (1), определяют численные значения коэффициентов С₁, С₂, С₃ для приведенных условий:

C₁= 0,54559910⁶м

C₂= 0,3465410⁴, м/K

C₃= 0,5501810, м/K²

Подставив полученные значения С₁, С₂, С₃ и заданную потребителем температуру газа на выходе из скважины (Т = 308 К), получают искомую глубину скважины Н = 178,5 м.

Таким образом, бурение скважины на указанную глубину при заданных условиях хранения и отбора позволило исключить гидратообразование. (56) 1. Каримов М. Ф. Эксплуатация подземных хранилищ газа. М. : Недра, 1981.

2. Авторское свидетельство СССР N 827348, кл. В 65 G 5/00, 1981.

3. Авторское свидетельство СССР N 604753, кл. F 17 C 1/00, 1988.