Научные основы регулирования и контроля количества газа в пористых пластах подземных хранилищ

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Научные основы регулирования и контроля количества газа в пористых пластах подземных хранилищ

Михайловский Александр Артемович

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Использование подземных хранилищ газа в пористых пластах является одним из основных способов обеспечения надежности газоснабжения, повышения гибкости поставок газа потребителям и эффективности реализации газа внутри страны и за рубежом.

Общее количество газа в пористых пластах подземных хранилищ страны составляет около 30% от годового уровня потребления и экспорта газа. В общем количестве газа на подземных хранилищах на долю активного объема газа приходится примерно 58% и на долю буферного объема газа - 42%. подземный хранилище газ пласт

Газовая отрасль страны характеризуется падением добычи в традиционных регионах и необходимостью освоения новых месторождений во все более усложняющихся горно-геологических и природных условиях, диверсификацией внутренних и экспортных потоков газа, старением действующей системы газопроводов. Указанные особенности газовой отрасли на фоне либерализации внешнего и внутреннего газового рынков диктуют необходимость дальнейшего развития системы подземных хранилищ газа в пористых пластах.

Важнейшим направлением работ по повышению эффективности и безопасности сооружения, расширения, циклической эксплуатации, консервации и ликвидации, а также надежности функционирования подземных хранилищ газа в пористых пластах является совершенствование и разработка методов и технологий регулирования и контроля количества газа в пласте. Эту задачу можно успешно решить, опираясь на научно-методическую базу.

Поэтому создание научных основ регулирования и контроля количества газа в пористых пластах подземных хранилищ является, безусловно, актуальной темой исследований.

Целью работы является разработка теоретических и методических основ регулирования и аналитического контроля количества газа в пористых пластах подземных хранилищ в водоносных пластах, истощенных, частично выработанных и неразрабатываемых газовых месторождениях для обеспечения безопасности и повышения эффективности их сооружения, расширения, циклической эксплуатации, консервации и ликвидации, а также надежности функционирования.

Основные задачи исследований

1. Разработка классификации подземных хранилищ газа в пористых пластах, позволяющей уточнять особенности применения методов регулирования и аналитического контроля количества газа в пластах разного геологического строения в зависимости от занимаемого “положения” и прогнозируемых технологических показателей подземного хранилища в создаваемой классификации.

2. Исследование гистерезисных явлений двухфазной фильтрации газа и воды в процессе их многократно чередующегося вытеснения в гидрофильных пористых средах.

3. Дифференцирование общего и буферного объемов газа в неоднородных пористых пластах подземных хранилищ при водонапорном режиме и изучение затрат закачиваемого газа в объекты хранения на создание и поддержание буферного объема газа.

4. Упорядочение разных по сложности гидродинамических моделей пористых пластов подземных хранилищ газа с целью адекватного их использования при решении задач регулирования и контроля количества газа в пластах разного строения на всех этапах функционирования хранилищ.

5. Исследование условий обеспечения стабилизации и многолетней установившейся циклической эксплуатации искусственных газовых залежей в пористых пластах подземных хранилищ при водонапорном режиме.

6. Разработка технологических методов регулирования количества газа в малоамплитудных ловушках водоносных пластов подземных хранилищ с активными водами.

7. Разработка аналитических методов контроля количества газа в пористых пластах подземных хранилищ на основе геологического и гидродинамического моделирования и статистических подходов.

Научная новизна

Разработана система критериев для классификации подземных хранилищ газа в пористых пластах по комплексу наиболее важных географических, геологических, технологических и технико-экономических признаков: расположению, функциям и назначению в Единой системе газоснабжения; используемым объектам хранения, их горно-геологическим условиям и особенностям геологического строения; основным технологическим режимам циклической эксплуатации по производительности закачки и отбора газа; объему активного газа и максимальной суточной производительности закачки и отбора и масштабу области “влияния”, включающей определенные потребители, участки систем магистральных газопроводов и предприятия газодобычи.

Установлены закономерности процесса многократно чередующегося вытеснения воды и газа в гидрофильных пористых средах, обнаружен и изучен эффект гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости. Разработаны принципы рационального гидродинамического моделирования пористых пластов подземных хранилищ газа. На основе выполненного параметрического анализа выявлены геологические, гидродинамические и технологические факторы, оказывающие основное влияние на процессы стабилизации и многолетней установившейся циклической эксплуатации искусственных газовых залежей подземных хранилищ.

Введены новые понятия, позволяющие дифференцировать общий и буферный объемы газа в неоднородных пористых пластах на составляющие, принимающие разное участие в фильтрационных процессах при закачке и отборе газа, и исследовать затраты закачиваемого газа в объекты хранения на создание и поддержание пластовых составляющих буферного объема. Разработаны статистические балансово-объемный и объемно-гидродинамический методы контроля количества газа в пористых пластах для оценки и учета случайных и систематических ошибок, возникающих при определении количества газа объемным и гидродинамическим методами, базирующимися на геологической и гидродинамических моделях пласта.

Защищаемые положения

1. Классификация подземных хранилищ газа в пористых пластах.

2. Исследование эффекта гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости в процессе многократно чередующегося вытеснения воды и газа в гидрофильных пористых средах.

3. Дифференцирование общего и буферного объемов газа в неоднородных пористых пластах подземных хранилищ при водонапорном режиме и исследование затрат закачиваемого газа в объекты хранения на создание и поддержание буферного объема газа в пласте.

4. Разработка иерархической структуры гидродинамических моделей пористых пластов подземных хранилищ газа.

5. Обоснование условий стабилизации и многолетней установившейся циклической эксплуатации искусственных газовых залежей в пористых пластах подземных хранилищ при водонапорном режиме.

6. Разработка комплекса аналитических методов контроля количества газа в пористых пластах подземных хранилищ, включающего объемный и гидродинамический методы, а также статистические балансово-объемный и объемно-гидродинамический методы контроля.

Практическая ценность

Разработаны математические модели, составлены алгоритмы и компьютерные программы для расчета оптимальных технологических показателей сооружения, расширения и циклической эксплуатации подземных хранилищ, регулирования и контроля количества газа в пористых пластах с учетом гистерезисных явлений двухфазной фильтрации в процессе многократно чередующегося вытеснения воды и газа. Проведенные исследования эффекта гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости повышают достоверность гидродинамических расчетов пористых пластов подземных хранилищ газа.

Разработан ряд методов и методик, использование которых позволяет уменьшать до оптимальных значений буферный объем газа в пористых пластах подземных хранилищ и снижать затраты закачиваемого газа в объекты хранения на создание и поддержание пластовых составляющих буферного объема газа.

В результате проведенных исследований автором разработаны методы и технологии регулирования количества газа в водоносных пластах для решения гидродинамических проблем создания и циклической эксплуатации “тонких” газовых залежей подземных хранилищ, связанных с “всплыванием” и активным “растеканием” газа в малоамплитудных структурных ловушках с активными пластовыми водами.

Основные разработанные технологии регулирования количества газа в водоносных пластах прошли успешную промышленную апробацию на ряде действующих подземных хранилищ. Результаты апробации показали, что в условиях сложившейся системы размещения эксплуатационных скважин и вскрытия пласта при водонапорном режиме газовой залежи наиболее эффективным является изменение технологического режима эксплуатации хранилища и регулирование режимами эксплуатации групп скважин (зонное регулирование закачки и отбора газа).

Проведенные в рамках диссертационной работы исследования способствуют решению актуальной задачи подземного хранения газа в пористых пластах, заключающейся в повышении технологической эффективности регулирования и контроля количества газа в пласте. Решение этой задачи позволяет обеспечивать безопасность сооружения, расширения, циклической эксплуатации, консервации и ликвидации и повышать надежность функционирования подземных хранилищ.

Апробация работы

Основные результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на отраслевых конференциях и совещаниях, научных семинарах, а также на международных конференциях и конгрессах, среди которых:

- Международная конференция “Разработка газоконденсатных месторождений”, 1990, Краснодар;

- Международная конференция и выставка “Подземное хранение газа”, 1995, Москва, РАО «ГАЗПРОМ»;

- Научно-технический совет ОАО «Газпром» “Современное состояние и перспективы совершенствования методов подсчета запасов газа по данным истории разработки”, 1999, Москва;

- Научно-практический семинар ОАО «Газпром» “Проблемы моделирования работы скважин и пластовых систем при создании и эксплуатации ПХГ в пористых пластах”, 2001, Москва;

- Международная конференция “ВНИИГАЗ на рубеже веков - наука о газе и газовые технологии”, 2003, Москва;

- Международная Исследовательская Газовая конференция, 2004, Ванкувер, Канада;

- Международная конференция ОАО «Газпром» “Подземное хранение газа: надежность и эффективность”, 2006, Москва;

- SPE Международная конференция “Подземное хранение природного газа - сегодня и завтра”, 2007, Краков, Польша;

- Вторая Международная конференция ОАО «Газпром» “ПХГ: Надежность и эффективность (UGS-2008)”, 2008, Москва;

- 24 мировой газовый конгресс, 2009, Буэнос-Айрес, Аргентина.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 2 научно-технических обзорах, 44 научных статьях (в т.ч. в 8-ми статьях в журналах, включенных в “Перечень ...” ВАК Минобрнауки РФ).

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников. Содержание работы изложено на 389 страницах машинописного текста, содержит 149 рисунков, 42 таблицы. Список использованных источников включает 242 наименования.

Диссертационная работа выполнена в Центре подземного хранения газа ООО «Газпром ВНИИГАЗ», сотрудникам которого автор выражает признательность за советы и помощь, оказанные при выполнении работы.

Особую благодарность и признательность автор выражает докт.техн.наук, профессору С.Н. Бузинову за помощь, советы и консультации при обсуждении основных положений диссертационной работы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследований, определена цель работы, поставлены задачи исследований, дана научная новизна, сформулированы защищаемые положения, показана практическая ценность, приведены сведения о внедрении результатов исследований и апробации работы.

Большой вклад в теоретические основы подземного хранения газа в пористых пластах внесли О.Е. Аксютин, П.Я. Алтухов, А.Е. Арутюнов, Д.И. Астрахан, А.В. Баранов, Г.И. Баренблатт, К.С. Басниев, С.Н. Бузинов, С.А. Варягов, Ю.Н. Васильев, А.М. Власов, П.А. Гереш, О.Н. Грачева, А.В. Григорьев, А.И. Гриценко, Э.Л. Гусев, Н.М. Дмитриев, Н.А. Егурцов, В.М. Ентов, Ю.В. Желтов, С.Н. Закиров, В.В. Зиновьев, Г.А. Зотов, А.П. Зубарев, Ю.К. Игнатенко, А.И. Киселев, А.Л. Козлов, С.В. Колбиков, Ю.П. Коротаев, И.Н. Кочина, Л.Г. Кульпин, Е.В. Левыкин, М.В. Лурье, В.М. Максимов, Е.М. Минский, Ю.А. Мясников, В.И. Парфенов, Б.А. Резник, Н.В. Савченко, О.Г. Семенов, Н.К. Смирнов, Г.И. Солдаткин, П.В. Страдымов, Р.М. Тер-Саркисов, С.И. Трегуб, М.В. Филинов, С.А. Хан, А.Л. Хейн, Г.П. Цыбульский, И.А. Чарный, Е.В. Шеберстов, А.И. Ширковский, В.Н. Щелкачев, Д.А. Эфрос и многие другие, а также зарубежные исследователи С. Баклей, Г. Ботсет, Р. Виков, Л. Дуглас, Ф. Карлсон, Д. Катц, Ж. Киллоу, К. Котс, М. Леверетт, К. Ленд, М. Тек и другие.

В первой главе рассмотрены вопросы классификации подземных хранилищ газа в пористых пластах.

Подземное хранилище газа в пористом пласте рассматривается как горнотехническое предприятие, предназначенное для закачки, хранения и отбора газа, которое состоит из горного отвода недр, фонда скважин разного назначения и объектов обустройства станции подземного хранения газа. Горный отвод недр включает объект хранения газа с искусственной газовой залежью (возможно несколько объектов хранения с несколькими залежами).

В функционировании подземных хранилищ газа в пористых пластах выделено несколько последовательных этапов и соответствующих им периодов существования искусственных газовых залежей следующего назначения:

В диссертации разработана классификация подземных хранилищ газа в пористых пластах, входящих в Единую систему газоснабжения (ЕСГ). Классификация позволяет уточнять особенности применения методов регулирования и аналитического контроля количества газа в пластах разного геологического строения на разных этапах функционирования подземного хранилища в зависимости от его прогнозируемых технологических показателей и занимаемого “положения” в созданной классификации. В основу классификации подземных хранилищ газа положена система критериев и комплекс наиболее важных географических, геологических, технологических и технико-экономических признаков.

По разработанной классификации в системе подземных хранилищ газа в пористых пластах выделяются группы хранилищ по расположению, функциям и назначению в ЕСГ. Первая, традиционная и наиболее многочисленная, группа представляет “сеть” подземных хранилищ, находящихся вблизи потребителей в основных регионах газопотребления. Вторая группа включает “цепочки” подземных хранилищ, расположенных вдоль трасс в узловых точках систем протяженных магистральных газопроводов. Третья, нетрадиционная, группа, которую представляют подземные хранилища, находящиеся в районах газодобычи.

В соответствии с разработанной классификацией создаваемые на хранилищах первой группы запасы емкости и запасы газа совместно с дополнительными мощностями в транспорте и добыче используются для регулирования аномальной многолетней, сезонной, суточной и часовой неравномерности газопотребления в пределах областей “влияния” подземных хранилищ в системе газоснабжения. Создаваемые на них оперативные и долгосрочные резервы газа предназначены для компенсации и обеспечения чрезвычайных краткосрочных и долгосрочных снижений поставок и повышений спроса на газ. Запасы газа, создаваемые на подземных хранилищах второй группы, используются для регулирования сезонной и суточной неравномерности транспортировки газа по смежным участкам газопроводов, на “границе” которых они находятся. Резервы газа на этих хранилищах применяются для компенсации снижения расходов газа вследствие аварийного снижения пропускной способности участков газопроводов, находящихся непосредственно перед каждым хранилищем. Запасы и резервы газа на подземных хранилищах третьей группы используются для регулирования неравномерности и компенсации чрезвычайного снижения собственно добычи газа на промыслах газодобывающих районов.

В классификации по объектам хранения, их горно-геологическим условиям и особенностям геологического строения рассматриваются следующие виды подземных хранилищ газа - хранилища в водоносных пластах, сооружаемые на базе пластов-коллекторов водоносных горизонтов, и подземные хранилища в газовых месторождениях, сооружаемые на базе истощенных, частично выработанных и неразрабатываемых природных газовых залежей.

В разработанной классификации выделяются базисные, пиковые и газгольдерные типы подземных хранилищ по основным технологическим режимам по производительности закачки и отбора газа на наиболее важном этапе их циклической эксплуатации. Базисный тип хранилищ характеризуется технологическим режимом циклической эксплуатации в сезонах с небольшими отклонениями (увеличением или уменьшением в пределах 10-15%) суточной производительности закачки и отбора активного газа от ее среднемесячных значений. К пиковому типу относятся хранилища, для которых технологический режим циклической эксплуатации в сезонах характеризуется значительными приростами (свыше 10-15%) суточной производительности закачки и отбора в течение нескольких суток относительно ее среднемесячных значений. Газгольдерный (мультицикличный) тип хранилищ отличается технологическим режимом циклической эксплуатации в сезонах закачки и отбора газа со сменами направления в течение нескольких суток суточной производительности относительно ее среднемесячных значений (закачка-отбор-закачка или отбор-закачка-отбор).

Показано, что в ЕСГ подземные хранилища газа в водоносных пластах и газовых месторождениях используются как многофункциональные объекты. Они обеспечивают регулирование нескольких видов неравномерности и резервирование потребления, транспортировки и добычи газа. В результате “наложения” нескольких составляющих технологический режим эксплуатации таких подземных хранилищ оказывается “смешанным”, а сами подземные хранилища относятся к базисно-пиковому, базисно-газгольдерному или пиково-газгольдерному типу.

В созданной классификации выделяются разные типы подземных хранилищ по основным технико-экономическим показателям. В качестве таких показателей принимаются объем активного газа и максимальная суточная производительность закачки и отбора на этапе циклической эксплуатации в проектном технологическом режиме. Рассматриваются базовые (региональные) хранилища, осуществляющие регулирование неравномерности и резервирование регионов газопотребления, газотранспортных систем и районов газодобычи, и районные, “охватывающие” группы потребителей, участки газотранспортных систем и группы предприятий газодобычи. Кроме того, рассматриваются местные (локальные) хранилища, которые ограничиваются регулированием и резервированием отдельных потребителей, участков газопроводов и газодобывающих предприятий.

Активный газ подземного хранилища может включать следующие составляющие, показанные на рисунке 1 (на этом рисунке для сопоставления приводятся объемы газа в пласте, которые рассмотрены в главе 3): многолетние запасы емкости и запасы газа Q_{зап мнлет}, сезонные запасы газа Q_{зап сез}, суточные запасы газа Q_{зап сут}, оперативный резерв газа Q_{рез опер}, долгосрочный резерв газа Q_{рез долг}.

На подземных хранилищах, сооружаемых в водоносных пластах, буферный газ состоит только из закачанного в объект хранения буферного газа. На подземных хранилищах, сооружаемых в газовых месторождениях, буферный газ может состоять из закачанного в объект хранения буферного газа, а также остаточных рентабельно извлекаемых запасов газа частично выработанного или неразрабатываемого месторождения.

В работе показано, как на основе разработанной классификации подземных хранилищ можно уточнять применение методов регулирования и аналитического контроля количества газа в пористых пластах разного геологического строения.

Рисунок 1 - Составляющие активного и буферного газа подземного хранилища и дифференциация общего и буферного объемов газа в пласте

Во второй главе представлены результаты анализа известных экспериментальных исследований относительных фазовых проницаемостей при однонаправленных и чередующихся процессах вытеснения воды и газа и исследование гистерезисных явлений двухфазной фильтрации в процессе их многократно чередующегося вытеснения в гидрофильных пористых средах.

Анализ показал, что подавляющее большинство экспериментальных исследований при стационарных и нестационарных режимах течения - Р. Викова, Г. Ботсета, П.Я. Алтухова, С.Н. Бузинова, И.В. Панфиловой, С.Г. Рассохина, Н.В. Савченко и др., по определению фазовых проницаемостей для газа и воды проведено при однонаправленных процессах вытеснения (рисунок 2). Эти исследования нацелены в основном на использование полученных результатов для решения задач разработки месторождений, когда насыщенность меняется монотонно во времени при преимущественно одном направлении вытеснения - газ водой.

В работе рассмотрен механизм изменения относительных фазовых проницаемостей в процессах однонаправленного вытеснения воды и газа в гидрофильных пористых средах, обуславливаемый действием капиллярных сил на распределение фаз в системе поровых каналов и структурой микропотоков каждой фазы, фильтрующейся по этой системе каналов.

Рисунок 2 - Зависимости относительных фазовых проницаемостей от насыщенности гидрофильных пористых сред для газа и воды в процессах однонаправленного вытеснения

С использованием зависимостей капиллярного давления при противоположных последовательностях насыщения - дренаже и пропитке (рисунок 3), показано различие относительных фазовых проницаемостей при разных направлениях вытеснения. Это различие проявляется в неравенстве значений пороговой “связной” насыщенности и минимальной остаточной насыщенности каждой фазы, а также значений проницаемости для одинаковых величин насыщенности. Показано, что в гидрофильных пористых средах наибольшее влияние капиллярное давление оказывает на изменение фазовых проницаемостей для газа, причем особенно значительно в области малых значений водонасыщенности.

Рисунок 3 - Зависимости капиллярного давления от насыщенности гидрофильных пористых сред при дренаже и пропитке

Получены аппроксимирующие зависимости относительных фазовых проницаемостей для газа и воды в однонаправленных процессах вытеснения. Как следует из результатов аппроксимации, классическое использование показательных функций позволяет наглядно представлять область определения этих функций. В тоже время использование показательных функций для аппроксимации относительной фазовой газопроницаемости при вытеснении воды газом приводит к значительным погрешностям. В этом случае применение полиномов дает лучшее приближение по сравнению с показательными функциями.

Анализ экспериментов Ф. Карлсона, Ж. Киллоу, К. Ленда по определению относительных фазовых проницаемостей в процессе чередующегося вытеснения воды и газа показал, что они отвечают условиям первичного дренажа и возвратной пропитки, соответствующим случаям сооружения подземных хранилищ газа в водоносных пластах. Эксперименты Р. Биетса, проведенные при первичной пропитке и возвратном дренаже, соответствуют случаям сооружения подземных хранилищ в истощенных или частично выработанных газовых месторождениях. Эти эксперименты показали на существование гистерезиса относительных фазовых проницаемостей при чередующемся вытеснении воды и газа, который обуславливается явлением капиллярного гистерезиса. Как показали указанные эксперименты, в наибольшей степени может проявляться гистерезис относительной фазовой газопроницаемости.

Согласно этим исследованиям в “предельных” циклах изменения насыщенности чередующегося вытеснения, когда насыщенность при каждом направлении вытеснения достигает максимально возможных значений и имеет место полный дренаж и полная пропитка, функции относительной фазовой газопроницаемости являются двузначными. В “непредельных” циклах, в которых насыщенность не достигает максимально возможных значений, функции относительной фазовой газопроницаемости оказываются многозначными зависимостями насыщенности.

В работе для изучения влияния гистерезиса относительных фазовых проницаемостей на процесс многократно чередующегося вытеснения воды и газа в гидрофильных пористых средах разработана математическая модель одномерной радиальной неустановившейся двухфазной фильтрации в однослойном осесимметричном (с центральным куполом) водоносном пласте. Указанная модель построена с использованием эффективного способа, не предусматривающего этапы составления и дискретизации дифференциальных уравнений, на которых требуется большое число условий по сходимости и устойчивости алгоритмов расчетов. Этот способ состоит в разбиении рациональной сеткой области моделирования на конечное число взаимосвязанных элементов. Для каждого элемента в алгебраическом виде составляются уравнения движения и сохранения. Полученные алгебраические уравнения преобразуются к системе линейных уравнений, а задача сводится к решению этой системы уравнения известными эффективными методами, например методом прогонки. При таком подходе созданные расчетные алгоритмы являются устойчивыми и экономичными.

В разработанной модели учитываются реальные свойства флюидов. Для расчета критической насыщенности захваченной фазы и относительной фазовой проницаемости на кривых сканирования в “непредельных” циклах чередующегося вытеснения воды и газа используется метод Киллоу. Расчет давления в водоносной области пласта проведен с использованием метода суперпозиций.

На основе проведенного анализа экспериментальных исследований относительных фазовых проницаемостей и многочисленных расчетных экспериментов на разработанной модели выявлены следующие закономерности чередующегося вытеснения воды и газа в гидрофильных пористых средах, обусловленные гистерезисом фазовых проницаемостей. Первая закономерность состоит в том, что при равных значениях перепада давления в пористой среде скорость фильтрации газовой фазы в случае вытеснения воды газом может существенно превосходить таковую при вытеснении газа водой. Наоборот, при одинаковой скорости фильтрации газовой фазы перепад давления в пористой среде в случае вытеснения воды газом может быть значительно меньше, чем при вытеснении газа водой. Вторая закономерность заключается в том, что при вытеснении воды газом за фронтом вытеснения образуется слабогазонасыщенная область подвижного связного газа, которая характеризуется значением насыщенности ниже уровня остаточной газонасыщенности. В результате смены направления вытеснения ранее связный газ в этой области может оказаться в рассеянном (дисперсном) состоянии в виде отдельных несвязных пузырьков в поровых капиллярах, а сама эта область стать областью неподвижного дисперсного газа. Третья закономерность состоит в том, что после смены направления вытеснения воды газом на вытеснение газа водой за фронтом вытеснения образуются две последовательно обводняемые области, в которых может оставаться неподвижный газ. Первая область дисперсного газа с насыщенностью ниже уровня остаточной газонасыщенности. Вторая область преимущественно защемленного газа в виде отдельных несвязных мульд в системе поровых капиллярных каналов с насыщенностью на уровне остаточной газонасыщенности. Четвертая закономерность проявляется в возможности образования при вытеснении газа водой за фронтом вытеснения слабоводонасыщенной области подвижной связной воды с уровнем насыщенности ниже остаточной водонасыщенности. В результате смены направления вытеснения остаточная вода в этой области переходит в неподвижное состояние.

На основе проведенных исследований процесса многократно чередующегося вытеснения воды и газа в гидрофильных пористых средах с учетом и без учета гистерезиса обнаружен и изучен эффект гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости. Эффект заключается в уменьшении газонасыщенности в области свободного газа и ее увеличении в приконтактной переходной области. Это приводит к своеобразному “размазыванию” в пласте закачиваемого газа, т.е. к значительно более широкому его распространению при одновременном снижении уровня газонасыщенности. Указанный эффект проявляется также в снижении репрессионной воронки давления в газонасыщенной области пласта при закачке газа и значительном увеличении депрессионной воронки давления и водного фактора при отборе газа. Увеличение депрессионной воронки давления происходит вследствие образования существенной по размерам области дисперсного газа. Образование дисперсного газа обуславливается изменением динамического состояния газа в приконтактной переходной области - из связного подвижного состояния при вытеснении воды газом он переходит в несвязное дисперсное (рассеянное) неподвижное состояние при вытеснении газа водой.

В исследованиях многократно чередующегося вытеснения воды и газа без учета гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости функция относительной фазовой газопроницаемости принималась одинаковой для дренажа и пропитки и равной, в одном случае, при первичном полном дренаже, во втором случае - при однонаправленной пропитке (что обычно принимается на практике). Сравнение результатов этих исследований по распределению газонасыщенности в пласте, некоторые из которых представлены на рисунке 4, показало, что эффект гистерезиса значительно занижается в расчетах с использованием функции относительной фазовой газопроницаемости при первичном полном дренаже. Эффект полностью исключается при использовании функции фазовой газопроницаемости однонаправленной пропитки.

Выполненный параметрический анализ эффекта гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости показал, что для случая первичного дренажа определяющим параметром эффекта гистерезиса является критическое значение газонасыщенности при возвратной полной пропитке. Степень проявления эффекта гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости как в условиях бесконечного, так и замкнутого водоносного пласта тем выше, чем больше это критическое значение газонасыщенности.

Расчеты показали, что эффект гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости приводит к снижению максимально возможного активного объема газа, значительному увеличению буферного объема газа в пласте и водного фактора при отборе газа, увеличению сроков создания газовой залежи хранилища.

Проведенными исследованиями показано большое значение и необходимость учета этого эффекта при разработке технологий регулирования и контроля количества газа в пористых пластах подземных хранилищ. Для учета гистерезиса относительной фазовой газопроницаемости в гидродинамических расчетах требуется задавать для каждых коллекторов адресную комбинацию двух функций фазовых проницаемостей в “предельных” циклах. При этом в случае сооружения подземных хранилищ в водоносных пластах необходимо задавать функции относительной фазовой газопроницаемости первичного полного дренажа и возвратной полной пропитки, в случае сооружения подземных хранилищ в газовых месторождениях - первичной полной пропитки и возвратного полного дренажа.

Рисунок 4 - Распределение газонасыщенности в бесконечном водоносном пласте на конец сезонов закачки и отбора в 1-ом, 4-ом и 15-ом году с учетом гистерезиса фазовой газопроницаемости, без учета гистерезиса при использовании функции первичного полного дренажа и однонаправленной пропитки

В третьей главе приведены результаты работы по дифференцированию общего и буферного объемов газа в неоднородных пористых пластах подземных хранилищ при водонапорном режиме и исследованию затрат закачиваемого газа в объекты хранения на создание и поддержание буферного объема газа в пласте.

Введены новые понятия, термины и даны определения, позволившие дифференцировать общий и буферный объемы газа в неоднородных пористых пластах подземных хранилищ.

Рассмотрено понятие количества газа в пористом пласте в качестве определяющего технологического показателя подземного хранилища. Основными мерными характеристиками количества газа в пласте, как физической величины, приняты его значение, распределение по пластовым составляющим и динамическое состояние, определяемое участием его пластовых составляющих в фильтрационных массообменных процессах.

Показано, что использование термина “запасы” газа для обозначения всего количества газа в пористом пласте подземного хранилища вместо термина “количество” газа является некорректным в силу принципиальных различий по геологическим, технологическим и экономическим признакам понятий, обозначаемых этими терминами.

Введены понятия учетного и контролируемого количества газа в пласте на подземных хранилищах. За учетное количество газа в пласте принимается числящееся в нем количество по балансу газа на станции подземного хранения, в котором учитываются затраты газа на собственные технологические нужды. Контролируемым количеством газа в пласте считается количество газа, которое определяется с помощью применяемых методов контроля.

На основе исследований с использованием объемного метода выделены составляющие количества газа в пластах подземных хранилищ при водонапорном режиме. К пластовым составляющим количества газа относятся: свободный газ в необводненной области искусственной газовой залежи; остаточный газ в обводненной области газовой залежи; газ приконтактной переходной (слабогазонасыщенной) области; остаточный газ обводненной области месторождения (в случае сооружения подземного хранилища в крупном истощенном или частично выработанном газовом месторождении). Кроме того, пластовые составляющие могут быть представлены газом, адсорбированным горными породами, растворенным газом в остаточной воде в пределах газовой залежи и приконтактной переходной области, газом, растворенным и диффундированным в водоносную область пласта, переточным газом во вторичных залежах (в случае их образования).

Рассмотрены основные годовые объемные по газу технологические показатели сооружения, расширения и циклической эксплуатации подземных хранилищ - общий V_общ , буферный (подушечный) V_б и активный (рабочий) V_а объемы газа в пласте (рисунок 1).

Под общим объемом газа в пласте в том или ином году понимается максимальный объем газа в пласте в течение года. На этапах сооружения и расширения подземного хранилища общий объем газа в пласте может увеличиваться по годам за счет наращивания закачиваемого буферного и активного газа. На этапе циклической эксплуатации подземного хранилища общий объем газа в пласте ограничен проектной максимальной величиной.

Под буферным (подушечным) объемом газа в пласте в том или ином году понимается объем газа в пласте в конце сезона отбора. На этапах сооружения и расширения подземного хранилища буферный объем газа в пласте увеличивается по годам за счет наращивания закачиваемого буферного газа. На этапе циклической эксплуатации подземного хранилища буферный объем газа в пласте ограничен проектной минимальной величиной.

Сформулированы основные технологические требования к общему и буферному объемам газа в пласте для обеспечения нормального сооружения, расширения и многолетней циклической эксплуатации подземного хранилища.

Под активным (рабочим) объемом газа в пласте понимается разность между общим объемом газа и буферным объемом газа в пласте по всем пластовым составляющим. Активный объем газа в пласте при соответствующей производительности фонда скважин и объектов обустройства станции подземного хранения обеспечивает объем активного газа подземного хранилища, включая все его составляющие. В газгольдерном режиме циклической эксплуатации подземного хранилища объем активного газа может значительно увеличиваться за счет многоцикличности закачки и отбора газа в течение года.

На основе анализа результатов гидродинамических расчетов и промысловых данных контроля циклической эксплуатации подземных хранилищ газа в пористых пластах обоснованы составляющие общего и буферного объемов газа в пласте при водонапорном режиме, дана оценка их возможного соотношения при закачке и отборе газа на хранилище.

В соответствии с проведенным анализом доминирующую часть (до 90 - 95 %) общего объема газа в пласте составляют свободный газ основной газовой залежи и газ в приконтактной переходной (слабогазонасыщенной) области. Основную часть буферного объема газа в пласте образуют свободный газ в необводненной области и остаточный газ в обводненной области газовой залежи, а также газ в приконтактной переходной области. Доля газа, адсорбированного горными породами пласта, и растворенного газа в остаточной воде оценивается не более 1 - 1.5 %. Ежегодное увеличение доли газа, растворенного и диффундированного в водоносную область пласта, может составлять 0.15 - 0.2 % от активного объема газа в пласте. В состав общего и буферного объемов газа в пласте, кроме того, может входить объем газа, ушедшего из основной газовой залежи и скопившегося во вторичных газовых залежах пласта. Доля этого газа в общем объеме газа в пласте в отдельных случаях может достигать несколько десятков процентов.

На примере зонально и слоисто неоднородных пластов проведены исследования особенностей аккумулирования при закачке и дренирования при отборе газа пластов подземных хранилищ. Показано, что высокие темпы, малая продолжительность и периодическая смена закачек и отборов газа при сооружении и циклической эксплуатации подземных хранилищ обуславливают существенное увеличение неравномерности аккумулирования и дренирования неоднородных пластов.

Аккумулируемую часть общего объема газа в пласте V_{общ ак} (рисунок 1) представляют свободный газ основной газовой залежи и газ в приконтактной переходной области. Все остальные пластовые составляющие образуют неаккумулируемую часть общего объема газа в пласте V_{общ неак}. Дренируемую часть общего объема газа в пласте V_{общ др} образует только свободный газ основной газовой залежи, все остальные пластовые составляющие входят в недренируемую часть общего объема газа в пласте V_{общ недр}.

Аккумулируемая часть буферного объема газа в пласте V_{б ак} включает свободный газ необводненной и остаточный газ обводненной области основной газовой залежи, а также газ в приконтактной переходной области. В неаккумулируемую часть буферного объема газа в пласте V_{б неак} входят все остальные пластовые составляющие. Дренируемая часть буферного объема газа в пласте V_{б др} представлена только свободным газом необводненной области основной газовой залежи. Все остальные пластовые составляющие образуют недренируемую часть буферного объема газа в пласте V_{б недр}.

Проведенные исследования показали, что при циклической эксплуатации подземных хранилищ в пористых пластах, дренируемые части общего объема газа и буферного объема газа в пласте существенно меньше их аккумулируемых частей.

По степени участия в фильтрационных газовых потоках выделены активно и пассивно аккумулируемые и дренируемые части общего V_{общ ак акт}, V_{общ ак пас}, V_{общ др акт}, V_{общ др пас} и буферного объемов газа в пласте V_{б ак акт}, V_{б ак пас}, V_{б др акт}, V_{б др пас} (рисунок 1). Активно аккумулируемые и дренируемые части объемов газа в пласте, сосредоточенные преимущественно в высокопроницаемых участках пласта, с заметным (фиксируемым) изменением пластового давления участвуют в фильтрационных газовых потоках от скважин или к скважинам и обеспечивают основной вклад в регулирование пластового давления в районе расположения эксплуатационных скважин при закачках и отборах газа. Пассивно аккумулируемые и дренируемые части объемов газа в пласте, находящиеся в основном в низкопроницаемых и удаленных участках пласта, участвуют в работе системы скважин с отставанием во времени и оказывают второстепенное воздействие на регулирование пластового давления в районе расположения эксплуатационных скважин. Соотношение активно и пассивно аккумулируемых и дренируемых частей общего и буферного объемов газа в пласте зависит от пространственного распределения неоднородных участков пласта, уровня и соотношения их емкостных и фильтрационных свойств, темпов закачки и отбора газа в пласте, системы размещения эксплуатационных скважин и распределения расходов газа по ним.

Проведены исследования затрат закачиваемого газа в объекты хранения на создание и поддержание буферного объема газа в пласте.

Под затратами газа на создание буферного объема газа в пласте понимается объем закачиваемого в объект хранения газа на формирование пластовых составляющих буферного объема газа. Эти затраты осуществляются на этапах сооружения и расширения подземных хранилищ.

В качестве затрат газа на поддержание буферного объема газа в пласте, необходимых для обеспечения технологических требований к буферному объему газа, принимается объем закачиваемого в объект хранения газа на восполнение пластовой составляющей свободного газа в необводненной области залежи. Уменьшение пластовой составляющей свободного газа связано с многолетним непрерывным процессом растворения закачиваемого газа в пластовых водах и конвективно-диффузионного переноса растворенного газа в водоносную область пласта при циклических вторжениях - оттеснениях пластовых вод в газовой залежи. При многолетней циклической эксплуатации подземного хранилища объемы газа растворенного и диффундированного в водоносную область пласта накапливаются и могут достигать существенной части буферного объема газа в пласте. В связи с этим они должны ежегодно списываться с баланса газа в пласте в составе статьи собственных технологических нужд и компенсироваться затратами закачиваемого газа на поддержание буферного объема газа в пласте.

Рассмотрены различные виды затрат закачиваемого газа в объекты хранения на создание и поддержание буферного объема газа в пласте, что позволило обосновать понятие пластовых потерь газа.

Под пластовыми потерями газа следует понимать первично и вторично нерациональную часть затрат закачанного газа на создание и поддержание буферного объема газа в пласте, понесенную “впустую”. Пластовые потери закачанного газа могут включать неконтролируемые или нерентабельные по отбору объемы “вертикальных” утечек газа из пласта и объемы газа, ушедшего из основной газовой залежи за пределы структурной ловушки.

Четвертая глава посвящена вопросам упорядочения и рационального использования разных по сложности гидродинамических моделей пористых пластов для адекватного решения задач регулирования и контроля количества газа в пластах разного геологического строения на всех этапах функционирования подземных хранилищ.

Разработаны принципы рационального гидродинамического моделирования пористых пластов подземных хранилищ газа. Эти принципы заключаются в следующем: последовательность построения моделей разного уровня, проблемная ориентированность и адекватность модели поставленной задаче исследования, соответствие модели сложности геологического строения пласта и объему достоверных исходных данных. К числу принципов также относятся объединение (комплексирование) разных по сложности моделей, описывающих отдельные области пласта, в его полномасштабной модели, взаимодополняемость и контроль правильности результатов моделирования, полученных на моделях разного уровня.

Многочисленные гидродинамические модели пористых пластов подземных хранилищ по образу многообразных вертикальных и горизонтальных связей “генеалогического древа” последовательно “выстраиваются” от “высшего” уровня сложных - подробных многомерных детальных сеточных моделей до “низшего” уровня упрощенных - приближенных низкомерных укрупненных моделей, образуя комплекс моделей разного уровня.

Каждая модель пласта в указанном комплексе должна быть проблемно ориентирована и настроена на адекватное решение конкретной задачи исследования, обеспечивая рациональный объем трудозатрат физического и компьютерного моделирования. С одной стороны, модель по количеству и составу параметров должна наиболее полно соответствовать целям исследования. С другой стороны, параметров модели должно быть минимально необходимо и достаточно для решения поставленной задачи. Так, при исследовании, например, укрупненных показателей газовой залежи подземного хранилища, во многих случаях достаточно использование упрощенных гидродинамических моделей. Для исследования систем хранения и размещения скважин требуются более сложные модели.

Применение той или иной гидродинамической модели в решающей степени зависит от сложности геологического строения пласта и объема достоверных исходных лабораторных, геофизических, геологических и промысловых данных. Область предпочтительного применения упрощенных гидродинамических моделей распространяется на пласты сравнительно однородного геологического строения, а также на пласты с ограниченным объемом достоверных исходных данных. Областью предпочтительного применения сложных гидродинамических моделей являются сложно построенные неоднородные пласты, по которым имеется достаточно большой объем исходных данных.

Адекватность полномасштабной модели пласта, описывающей пласт в целом, поставленной задаче и соответствие такой модели объему и достоверности исходных данных, имеющихся по разным областям пласта, обеспечиваются путем комплексирования - объединения разных по сложности моделей, описывающих отдельные области пласта.

Упрощенные и сложные гидродинамические модели пластов, а также получаемые с их использованием результаты расчетов взаимно дополняют и могут служить в качестве проверки друг друга. Так, низкомерные укрупненные модели позволяют описать некоторую интегральную в пространстве характеристику состояния газовой залежи хранилища, многомерные детальные сеточные модели - дифференциальную картину распределения насыщенности и давления в пласте. Результаты расчетов на укрупненных моделях могут служить интегральной проверкой результатов, полученных на детальных сеточных моделях, результаты сеточного моделирования представляют собой определенную детализацию решений на укрупненных моделях. Исходя из этого контроль результатов моделирования при решении как прямых, так и обратных задач, особенно для сложно построенных неоднородных пластов, целесообразно осуществлять путем последовательного использования нескольких гидродинамических моделей разного уровня и сопоставления полученных результатов. Последовательный переход от “крупносеточных” к “мелкосеточным” моделям позволит в прямых задачах более обоснованно и экономично получать прогнозные решения, при решении обратных задач - проводить определенную регуляризацию решений некорректных задач.

Дано обоснование рационального использования разных по сложности гидродинамических моделей для решения задач регулирования и контроля количества газа в пористых пластах на разных этапах функционирования подземных хранилищ газа.

Показано, что рациональное использование тех или иных по сложности моделей - это вопрос соотношения цены и качества, т.е. на сколько получаемые результаты моделирования будут соответствовать понесенным затратам и удовлетворять целям и задачам моделирования. Проведенные исследования показали, что при использовании упрощенных гидродинамических моделей повышение условно на единицу качества результатов обеспечивается сравнительно небольшим приростом затрат. При использовании сложных гидродинамических моделей для повышения качества результатов на условную единицу требуется значительное увеличение затрат на моделирование.

По результатам анализа применения разных по сложности гидродинамических моделей пористых пластов получены оценки рационального долевого использования моделей на разных этапах функционирования подземных хранилищ газа. В начале сооружения подземного хранилища на базе укрупненной цифровой геологической модели имеется возможность построения и использования только упрощенных гидродинамических моделей пласта. По мере поступления новых геологических данных в процессе сооружения подземного хранилища детализируется цифровая геологическая модель пласта, происходит постепенное снижение рациональной доли преимущественного использования упрощенных гидродинамических моделей и увеличение доли использования сложных гидродинамических моделей пласта.

На этапе циклической эксплуатации подземного хранилища на основе детальной геологической модели пласта появляется возможность построения подробной, многомерной, детальной сеточной гидродинамической модели пласта, а также уточнения ранее созданных упрощенных гидродинамических моделей путем их адаптации по поступающим новым данным истории хранения газа. При этом рациональная доля использования упрощенных гидродинамических моделей становится не более 40% в основном для оперативных укрупненных технологических расчетов и расчетов на долгосрочную перспективу. Рациональная доля применения детальных многомерных гидродинамических моделей увеличивается до уровня примерно 60%.

Полученный опыт использования гидродинамических моделей показывает, что для обычных по геологическому строению объектов хранения газа трудовые и материальные затраты при исключительном использовании сложных трехмерных моделей оправдываются достигаемыми результатами на 50-60%. Это означает, что в 40% случаев те же результаты можно получать с меньшими затратами на более простых моделях.

Разработана структура иерархического комплекса гидродинамических моделей пористых пластов подземных хранилищ газа. В этой структуре модели различаются по полноте описания происходящих в пласте физических процессов; способу описания взаимного вытеснения и совместной фильтрации газа и воды; размерности и системе координатных осей в динамико-кинематической схематизации фильтрационных потоков; размерам ячеек, равномерности сетки и масштабу осреднения параметров цифровых фильтрационных моделей пласта (рисунок 5).

В приближенных гидродинамических моделях ограничиваются рассмотрением лишь основных свойств газа и пластовой воды и наиболее значимых сторон происходящих в пласте процессов. В подробных гидродинамических моделях в наибольшей степени учитываются реальные свойства флюидов и породы и наиболее широкий круг эффектов и явлений физики газоводонасыщенного пласта. В подробных моделях рассматривается неполное вытеснение и совместное (двухфазное) течение газа и воды, учитывается капиллярный гистерезис и гистерезис относительных фазовых проницаемостей для флюидов при их многократно чередующемся вытеснении. Кроме того, в подробных моделях может рассматриваться адсорбция газа горными породами, растворение газа в пластовой воде и конвективно-диффузионный перенос растворенного газа в водоносную область пласта. Подробные гидродинамические модели позволяют проводить детальные исследования отдельных процессов.