Естественная убыль природного газа в подземных газохранилищах, создаваемых в водоносных пластах

 

Эксплуатация подземных хранилищ газа (ПХГ), создаваемых в водоносных пластах, неизбежно связана с потерями некоторой части газа из-за его растворения в пластовой воде и последующего уноса вместе с ней за пределы хранилища. Циклические движения воды из хранилища при закачках и в хранилище при отборах, подобно мощному насосу, выбрасывают газ в растворенном виде из газовой полости ПХГ. Представляется полезным дать количественную оценку этим потерям, которые можно было бы назвать естественной убылью газа в ПХГ водоносного типа.

Растворимость природного газа в воде. То, что природный газ растворим в воде при высоких давлениях, умеренных температурах и не слишком большой солености воды, хорошо известно. Например, по данным работников Северо-Ставропольского ПХГ «изменчивость газонасыщенности подземных вод колеблется от 0,4 до 1,5 м³/м³, а давление насыщения составляет 4,5 – 7,5 МПа [1]. Это означает, что в каждом кубическом метре пластовой воды содержится до 1,5 м³ растворенного газа». Если же учесть, что данные, приведенные в цитированной работе, относятся к наблюдениям, выполненным в наземных условиях, т.е. после частичной дегазации, то эти цифры могут быть значительно выше.

Согласно исследованиям О.Калберсона и Дж. Мак-Кетта [5,6], а также А.Ю.Намиота и М.М.Бондаревой [2], предельная газонасыщенность воды метаном при давлениях 7,5 – 10,0 МПа составляет 1,75-2,45 м³/м³ (табл. 1). Поэтому вода, находящаяся в контакте с природным газом, оказывается насыщенной им в концентрации, близкой к предельному значению.

 

 

Растворимость метана в воде в м³ (при 0 ⁰С и 0,1 МПа) на 1 м³ воды

Давление, МПа	Температура, ^0С
	20	40	60	80	100
2,5	0,75	0,60	0,49	0,45	0,43
5,0	1,50	1,10	0,93	0,86	0,84
10,0	2,43	1,95	1,70	1,57	1,56
15,0	3,15	2,55	2,26	2,12	2,15

 

Механизм уноса газа из ПХГ. Вытеснение воды газом при его закачках в ПХГ, как и газа водой при отборах, никогда не бывает полным, а имеет двухфазный характер. Это означает, что в капиллярах вмещающих пород движутся одновременно две фазы: газ и вода, поэтому растворение газа в воде происходит по всему объему газонасыщенной области, а не только вдоль поверхности газоводяного контакта (ГВК). Иными словами, растворение газа в воде имеет объемный, а не поверхностный характер.

Поскольку движение фаз в пористой среде происходит весьма медленно, то между ними устанавливается термодинамическое равновесие, ведущее к тому, что пластовая вода оказывается насыщенной газом с предельно возможной концентрацией. Однако движение фаз все-таки существует, поэтому растворенный в воде газ совершает вместе с ней циклические движения – при закачках из хранилища, при отборах обратно в хранилище. При закачках газонасыщенный поровый объем ПХГ увеличивается, пластовая вода примерно в том же объеме вытесняется из газовой полости ПХГ в окружающую ее водонапорную систему. Там эта вода перемешивается с пластовой водой, не содержащей газ или содержащей его в меньшем количестве. В результате, средняя газонасыщенность пластовой воды уменьшается. При отборе газа пластовая вода возвращается обратно в газовую полость ПХГ, обладая, однако, меньшим газосодержанием, чем при закачке. Это означает, что за цикл эксплуатации ПХГ некоторое количество газа уходит из газовой полости ПХГ в окружающую водонапорную систему. Если, например, увеличение  газонасыщенного порового объема при закачке составляет 10-15 млн. м³, то вместе с водой из ПХГ уносится 15-25 млн. м³ газа, в то время как возвращается обратно значительно меньшее количество.

Аналогичный процесс происходит в любом другом сечении водонапорной системы ПХГ, разве только с меньшей интенсивностью. В одном направлении через такое сечение переносится вода с большей концентрацией растворенного в ней газа, в обратном направлении – с меньшей концентрацией. Это приводит к постоянному уносу газа из газовой полости ПХГ и проникновению его во все более удаленные области водонапорной системы.

Как найти объем газосодержащей воды, вытесняемой из хранилища при закач­ках? Величину  увеличения газонасыщенного порового объема ПХГ, а следовательно, и объем газосодержащей воды, вытесняемой из хранилища при закачках, можно рассчитать на основе гистерезисной  диаграммы его эксплуатации [7]. Отмечая на плоско­сти точки, координатами которых являются приведенные давление  (  средне­взвешенное давление в газовой полости ПХГ) и объем  газа (в н. м³), который числится за ПХГ на текущий момент времени, получаем замкнутую кривую, характеризующую циклическую работу ПХГ, (рисунок). Если затем на оси ординат найти такую точку, что касательные, проведенные из нее к гистерезисной диаграмме, имеют в точках  и  касания одинаковую абсциссу , то ордината  найденной точки дает потерю буферного газа в этом хранилище за период, предшествующий рассматриваемому моменту, а тангенсы углов  и  наклона касательных

и

характеризуют минимальное и максимальное значения газонасыщенного порового объема, соответственно [3,4].

 

 

Действительно, из уравнения Клапейрона-Менделеева , следует, что

,

где  плотность и температура газа в хранилище,  газовая постоянная. Умножив обе части уравнения на величину  текущего значения газонасыщенного порового объема, получим массу  газа в ПХГ:

С другой стороны, , где  плотность газа при стандартных условиях. Следовательно, имеют место равенства

.             (1)

Для состояния , в котором газонасыщенный поровый объем минимален, имеем

.

Для состояния , в котором газонасыщенный поровый объем максимален, имеем

.

Отсюда следует, что увеличение  газонасыщенного порового объема ПХГ при закачке (и частично при отборе) газа представляется разностью

    .                (2)

Величина  для ПХГ близка, как правило, к стандартному давлению       (  0,1 МПа), поэтому

    .                                       (3)

Здесь  разность объемов (в н.м³) газа в ПХГ в моменты  и  (геометрически он выражается отрезком , рисунок), а  приведенное давление в ПХГ, соответствующее этим же моментам времени. Например, для гистерезисной кривой, см. рисунок, МПа, млн. м³, млн. м³.

Математическая модель процесса. Сформулируем теперь математическую модель уноса газа из газовой полости ПХГ в окружающую ее водонапорную систему. Отнесем толщу водоносной части пласта к системе отсчета, характеризуемой обобщенной координатой  (объемом порового пространства пласта, в котором движется вода с растворенным в ней газом). Концентрацию или газосодержание воды обозначим .

При закачке газа через любое сечение пласта проходит объем воды  с газосодержанием , поэтому объем газа, переносимого в растворенном виде, равен . В области, куда попадает эта вода, она смешивается с водой, содержащей газ в концентрации  (), причем перемешивается с ней в равных объемах. После такого перемешивания газосодержание пластовой воды становится равным .

Заметим, что допущение о перемешивании вод в равных объемах обосновывается хорошо известной теорией двухфазной фильтрации Бакли-Леверетта. Поскольку физические свойства этих вод почти неотличимы друг от друга, то у них одинаковы кривые фазовой проницаемости. Это означает, что при вытеснении одной жидкости другой они перемешиваются в равных объемах.

При отборе газа через рассматриваемое сечение пласта также проходит объем воды, равный , однако, ее газосодержание равно , т.е. меньше, чем при закачке. Следовательно, объем  газа, переносимого в растворенном виде в обратном направлении, меньше объема газа, переносимого в прямом направлении. За полный цикл их разность составляет величину

.

В табл. 2 представлены данные о газонасыщенности пластовой воды Краснодарского ПХГ, полученные по измерениям в наблюдательных скважинах (2002 г.).