СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ ГАЗА Российский патент 2014 года по МПК E21B47/10 G01M3/00 B65G5/00 

Изобретение относится к газодобывающей промышленности и может быть использовано для контроля безопасности эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ) с газовым режимом.

Известен гидрогеохимический способ определения межпластовых перетоков газа на газовых месторождениях (Агишев А.П. Межпластовые перетоки газа при разработке газовых месторождений. - М.: Недра, 1966, с. 79-88), в котором в стадии разведки месторождения определяют постоянный гидрогеохимический фон по всему вертикальному разрезу. Затем накапливаемые данные о гидрогеохимической обстановке исследуемых интервалов разреза сопоставляют с естественным фоном месторождения и определяют тенденции намечающихся изменений на том или ином участке. Недостатком данного способа является сложность его выполнения, обусловленная необходимостью исследования начального гидрогеохимического фона до закачки газа в хранилище. Кроме того, применение указанного способа на ПХГ связано со значительными затратами на бурение контрольных скважин, т.к. гидрогеохимические исследования необходимо проводить в специально пробуренных контрольных скважинах, расположенных в контуре газовой залежи, а пробы воды необходимо отбирать в хорошо изолированных скважинах, сохраняя пластовые условия (температуру и давление), что приводит к ошибкам при определении герметичности ПХГ.

Наиболее близким к предложенному способу (прототипом) является способ исследования динамических процессов газовой среды ПХГ (патент РФ №2167288, E21B 47/00, опубл. 20.05.2001), включающий введение в пласт через разные нагнетательные скважины индикаторов в газовом носителе, отбор проб газа из добывающих скважин и определение концентраций индикаторов во времени в продукции добывающих скважин. В период максимального давления газа выбирают центральные нагнетательные скважины, расположенные в одном или нескольких эксплуатационных горизонтах, исходя из системы расположения добывающих скважин по площади, при этом используют индикаторы нескольких цветов, а закачивают индикатор одного цвета в виде газонаполненных микрогранул со степенью дисперсности 0,5-0,6 мкм, состоящих из смеси поликонденсационной смолы и органического люминесцирующего вещества в расчетном количестве. В период снижения давления до минимальной средневзвешенной по площади величине одновременно отбирают пробы газа из добывающих скважин, расположенных в одном или нескольких эксплуатационных горизонтах, и определяют изменения во времени концентрации индикаторов каждого цвета и объемной скорости газа всех добывающих скважин, находят суммарное количество индикатора каждого цвета, поступившего в каждую добывающую скважину, по заданной формуле. Строят карты и по величине долей мигрирующего газа выявляют направления внутрипластовых и межпластовых перетоков и оконтуривают газодинамически различные зоны. Недостатком известного способа является необходимость проведения идентификации индикаторов по пяти параметрам, что усложняет реализацию способа и снижает достоверность исследования динамических процессов газовой среды.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа определения герметичности ПХГ с газовым режимом, позволяющего своевременно определять утечки газа из ПХГ на протяжении всего периода эксплуатации.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является упрощение контроля герметичности, что приводит к повышению надежности и безопасности эксплуатации ПХГ.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе определения герметичности ПХГ осуществляют циклическое воздействие на пласт, при котором каждый цикл включает закачку газа через эксплуатационные скважины в пласт до достижения величины пластового давления, не превышающего максимально допустимого проектного значения, с последующим отбором газа до достижения величины пластового давления не ниже минимально допустимого проектного значения. Воздействие на пласт осуществляют, по меньшей мере, в течение 10 циклов. При этом в каждом цикле периодически одновременно измеряют текущее пластовое давление $$\left(P_t^{ф}\right)$$ и объем отбора (или закачки) газа, затем с учетом измеренных параметров определяют расчетное давление в подземном хранилище газа $$\left(P_t^{Р}\right)$$ для режима эксплуатации хранилища без утечек газа из соотношения

$${\Omega }_o{P}_t^P/Z_t-{\Omega }_o{P}_o/Z_o={\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}{q}_{t}dt,\text{(1)}}$$

где Ω_o - газонасыщенный поровый объем ПХГ,

Р_o - начальное пластовое давление,

$$P_t^P$$ - расчетное пластовое давление на момент времени t,

Z_o - начальный коэффициент сверхсжимаемости газа,

Z_t - коэффициент сверхсжимаемости газа на момент времени t,

q_t - объем закачки (или отбора) газа на момент времени t;

и для режима эксплуатации хранилища с утечками газа из соотношения

$${\Omega }_o{P}_t^P/Z_t-{\Omega }_o{P}_o/Z_o={\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}{q}_{t}dt-C_y}{\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}\frac{P_t^P}{Z_t}dt,\text{ (2)}}$$

где С_у - коэффициент пропорциональности утечки газа.

Затем определяют функцию (F) как среднеарифметическое значение отклонений $$\left(P_t^{Р}\right)$$ от $$\left(P_t^{ф}\right)$$ , полученных при каждом i-м измерении, для режима эксплуатации хранилища без утечек газа

$$F=\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{i=1}^n\left|\left(P_{ti}^P-P_{ti}^{Ф}\right)\right|,\text{ (3)}}$$

где n - количество замеров пластового давления,

i - порядковый номер замера пластового давления;

и функцию (F_y) для режима эксплуатации хранилища с утечками газа

$$F_y=\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{i=1}^n\left|\left(P_{ti}^P-P_{ti}^{Ф}\right)\right|,\text{ (4)}}$$

и при выполнении неравенства F_y<F делают вывод о наличии утечек газа в хранилище.

При эксплуатации ПХГ утечки газа в основном фиксируют на позднем этапе их развития, то есть при проявлении газа на поверхности и загазованности контрольных горизонтов, что осложняет дальнейшие поиски конкретной причины утечки газа и может привести к серьезным осложнениям при эксплуатации ПХГ.

Для ПХГ изменение объема газа в пласте во времени определяют из уравнения

dV_t/dt=q_t (5)

где V_t - объем газа в пласте в момент времени t;

t - время;

q_t - объем отбора (или закачки) газа в единицу времени t.

Переходя к интегральному виду, получаем

$${\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}d{V}_t={\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}{q}_{t}dt\text{ (6)}}}$$

$$V_t-V_o={\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}{q}_{t}dt,\text{ (7)}}$$

где V_o- объем газа в начальный момент времени.

Из уравнения материального баланса (Закиров С.Н. «Проектирование и разработка газовых месторождений». - М.: Недра, 1974 г., с. 28-35) известно

V_t=Ω_tP_t/Z_t, (8)

где Ω_t - газонасыщенный поровый объем пласта в момент времени t;

Р_t - пластовое давление газа в момент времени t;

Z_t - коэффициент сверхсжимаемости газа в момент времени t.

Уравнение (3) для ПХГ с газовым режимом примет вид

$${\Omega }_0\frac{P_t}{Z_t}-{\Omega }_o\frac{P_o}{Z_o}={\displaystyle \underset{o}{\overset{t}{\int }}{q}_{t}dt\text{(9)}}$$

Коэффициент сверхсжимаемости (Z) зависит от состава газа, температуры, давления и является справочным показателем (Требин Ф.А. «Добыча природного газа». - М.: Недра, 1976 г., с. 78-85). Значения Z можно с высокой точностью аппроксимировать полиномом вида

Z_t=a $$P_t^2$$ -bP_t+c, (10)

где а, b, с - коэффициенты полинома.

Таким образом, режим эксплуатации ПХГ с газовым режимом описывают через измеряемые параметры отбора (закачки) газа и пластового давления следующей системой уравнений

$$\{\begin{array}{l}{\Omega }_o\frac{P_t}{Z_t}-{\Omega }_o\frac{P_o}{Z_o}={\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}{q}_{t}dt}\\ Z_t=a{P}_t^2-b{P}_t+c\text{(11)}\\ {\text{Z}}_{\text{0}}=a{P}_0^2-b{P}_0+c\end{array}$$

При нарушении герметичности (наличии перетока газа), т.е. для режима эксплуатации ПХГ с утечками газа уравнение (5) примет вид

dV_t/dt=q_t- $$q_t^y$$ , (12)

где $$q_t^y$$ - дебит утечки газа из ПХГ в единицу времени t.

Дебит утечки газа из ПХГ можно описать уравнением вида (Закиров С.Н. «Проектирование и разработка газовых месторождений». - М.: Недра, 1974 г., с. 220-226)

$$Q_y=C_y{\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}\frac{P_t}{Z_t}dt,\text{ (13)}}$$

где С_у - коэффициент утечки газа.

Тогда для эксплуатации ПХГ с утечками газа уравнение имеет вид

$${\Omega }_o{P}_t/Z_t-{\Omega }_o{P}_o/Z_o={\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}{q}_{t}dt-C_y{\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}\frac{P_t}{Z_t}dt\text{ (14)}}}$$

Для расчета пластового давления $$\left(P_t^{Р}\right)$$ эксплуатацию ПХГ с газовым режимом можно описать системой уравнений

- без утечек газа

$$\{\begin{array}{l}{\Omega }_o\frac{P_t^p}{Z_t}-{\Omega }_o\frac{P_o}{Z_o}={\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}{q}_{t}dt}\\ Z_t=a{P}_t^2-b{P}_t+c\text{(15)}\\ {\text{Z}}_{\text{0}}=a{P}_0^2-b{P}_0+c\end{array}$$

- с утечками газа

$$\{\begin{array}{l}{\Omega }_o\frac{P_t^p}{Z_t}-{\Omega }_o\frac{P_o}{Z_o}={\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}{q}_{t}dt-C_y{\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}\frac{P_t^p}{Z_t}dt}}\\ Z_t=a{P}_t^2-b{P}_t+c\text{(16)}\\ {\text{Z}}_{\text{0}}=a{P}_0^2-b{P}_0+c\end{array}$$

Для оценки отклонения расчетного пластового давления $$\left(P_t^{Р}\right)$$ от фактического $$\left(P_t^{ф}\right)$$ используют функцию (F), полученную в результате решения систем уравнений (15) и (16), относительно пластового давления $$\left(P_t^{Р}\right)$$

$$F=\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{i=1}^n\left|\left(P_{ti}^P-P_{ti}^{Ф}\right)\right|\text{(17)}}$$

Способ осуществляют следующим образом.

В процессе эксплуатации ПХГ с газовым режимом осуществляют циклическое воздействие на продуктивный пласт. В каждом цикле через эксплуатационные скважины проводят закачку газа в продуктивный пласт с последующим отбором газа. Закачку газа проводят до достижения пластового давления в ПХГ, не превышающего максимально допустимого проектного значения. Отбор газа проводят до достижения пластового давления не ниже минимально допустимого проектного значения. Циклическое воздействие на продуктивный пласт осуществляют в течение не менее 10 циклов. В течение каждого цикла раз в сутки замеряют текущее пластовое давление и объем закачки (отбора) газа. Затем рассчитывают давление в ПХГ $$\left(P_t^{Р}\right)$$ для режима эксплуатации хранилища без утечек газа и для режима эксплуатации хранилища с утечками газа по формулам (1) и (2). После чего вычисляют функцию (F), характеризующую режим эксплуатации ПХГ без утечек газа по формуле (3) и с утечками газа (F_y) по формуле (4). Выполняют сравнение значений (F) и (F_y). Если F_y<F, делают вывод о наличии утечек газа в ПХГ, т.е. о нарушении герметичности хранилища.

Предлагаемым способом было исследовано Калужское ПХГ. Полученные в процессе исследования замеренные значения пластового давления и объема закачки (отбора) газа, а также расчетные значения пластовых давлений приведены в таблице.

По результатам сравнения измеренных и расчетных параметров был сделан вывод о наличии утечек газа в указанном ПХГ (F_y=6,19, F=8,08, т.е. F_y<F).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить надежность и безопасность эксплуатации ПХГ за счет упрощения контроля герметичности, а также за счет повышения достоверности определения герметичности.

Таблица Способ определения герметичности подземных хранилищ газа Замеряемые параметры (фактические данные) Расчетные параметры (газовый режим) Расчетные параметры (газовый
режим с утечкой газа) №
замера Закачка/Отбор(-),
млн м³ Давление замеренное, $$\left(P_t^{ф}\right)$$ ,Па Давление $$\left(P_t^{Р}\right)$$ , Па $$\left(P_t^{Р}\right)$$ - $$\left(P_t^{ф}\right)$$ , Па Давление $$\left(P_t^{Р}\right)$$ , Па $$\left(P_t^{Р}\right)$$ - $$\left(P_t^{ф}\right)$$ , Па 1 2 3 4 5 6 7 1 0 55,4 55,4 0 55,4 0 2 52,8 72,6 60,8 11,8 63,3 9,3 3 115,9 96,3 72,5 23,8 80,7 15,6 4 72,7 106,4 79,8 26,6 91,7 14,7 5 55,7 114,1 85,4 28,7 100,2 13,9 6 22,3 114,8 87,7 27,1 103,4 11,4 7 15,3 113,1 89,2 23,9 105,6 7,5 8 11,6 113,1 90,4 22,7 107,2 5,9 9 -80,0 92,1 82,3 9,8 93,3 1,2 10 -116,4 78,0 70,6 7,4 75,2 2,8 11 -8,7 80,1 69,7 10,4 73,7 6,4 12 81,4 97,4 77,9 19,5 85,9 11,5 13 77,1 109,2 85,7 23,5 97,6 11,6 14 55,0 114,7 91,3 23,4 106,2 8,5 15 30,2 115,1 94,4 20,7 110,8 4,3 16 17,8 113,5 96,3 17,2 113,5 0 17 17,1 113,5 98,1 15,4 116,1 2,6 18 4,9 111,4 98,6 12,8 116,5 5,1 19 -74,0 95,1 90,9 4,2 102,5 7,4 20 -133,3 75,2 77,4 2,2 81,4 6,2

1 2 3 4 5 6 7 21 -104,0 62,9 66,9 4,0 65,4 2,5 22 65,6 85,2 73,5 11,7 75,0 10,2 23 75,6 98,5 81,1 17,4 86,3 12,2 24 55,5 103,9 86,7 17,2 94,6 9,3 25 47,9 111,4 91,6 19,8 102 9,4 26 3,6 109,8 92,0 17,8 102,2 7,6 27 -1,3 107,5 91,9 15,6 101,7 5,8 28 -12,4 105,2 90,6 14,6 99,4 5,8 29 -104,8 86,8 79,9 6,9 82,8 4,0 30 -90,1 73,5 70,9 2,6 68,9 4,6 31 -47,7 68,4 66,1 2,3 61,5 6,9 32 44,6 85,7 70,6 15,1 68,1 17,6 33 84,6 98,6 79,1 19,5 80,7 17,9 34 72,7 109,4 86,4 23,0 91,6 17,8 35 44,6 111,7 91 20,7 98,4 13,3 36 40,1 112,8 95,2 17,6 104,5 8,3 37 22,3 112,8 97,5 15,3 107,8 5,0 38 -31,3 103,3 94,2 9,1 102,4 0,9 39 -153,3 74,8 78,6 3,8 77,6 2,8 40 -144,2 53,0 64,1 11,1 55,5 2,5 41 78,0 80,3 71,9 8,4 67,1 13,2 42 97,3 97,6 81,7 15,9 81,7 15,9 43 65,9 104,6 88,4 16,2 91,5 13,1 44 60,8 110,0 94,7 15,3 100,9 9,1 45 53,2 113,3 100,3 13,0 109,2 4,1 46 20,9 113,8 102,5 11,3 112,4 1,4 47 -5,5 104,1 101,9 2,2 110,7 6,6 48 -13,5 96,9 100,5 3,6 108,1 11,2

1 2 3 4 5 6 7 49 -32,1 96,9 97,1 0,2 102,5 5,6 50 -117,9 82,4 84,9 2,5 83,7 1,3 51 -126,1 63,1 72,2 9,1 64,3 1,2 52 101,5 89,0 82,4 6,6 79,4 9,6 53 103,9 104,1 93,1 11,0 95,1 9,0 54 72,6 110,0 100,7 9,3 106,5 3,5 55 29,8 110,5 103,9 6,6 111,1 0,6 56 9,4 109,4 104,9 4,5 112,3 2,9 57 -214 73,4 82,6 9,2 76,8 3,4 58 -99,4 59,4 72,6 13,2 61,5 2,1 59 76,2 77,8 80,3 2,5 72,9 4,9 60 127,4 97,6 93,3 4,3 92,1 5,5 61 88,2 108,2 102,6 5,6 105,9 2,3 61 45,6 110,9 107,5 3,4 113,2 2,3 63 -228,0 69,5 83,6 14,1 74,7 5,2 64 -118,9 53,4 71,7 18,3 56,5 3,1 65 56,0 66,3 77,3 11,0 64,9 1,4 66 106,2 91,0 88,0 3,0 80,8 10,2 67 105,4 108,4 99,0 9,4 96,8 11,6 68 64,7 113,5 105,9 7,6 107,0 6,5 69 29,3 113,8 109,2 4,6 111,5 2,3 70 -41,0 99,6 104,7 5,1 103,2 3,6 71 -47,0 92,7 99,6 6,9 95,4 2,7 72 -61,0 84,6 93,2 8,6 85,4 0,8 73 28,0 85,7 96,1 10,4 89,4 3,7 74 20,0 94,2 98,2 4,0 92,3 1,9 75 37,3 98,5 102,2 3,7 97,6 0,9 76 47,1 104,6 107,3 2,7 104,8 0,2

1 2 3 4 5 6 7 77 37,9 108,7 111,5 2,8 110,8 2,1 78 1,6 107,1 111,7 4,6 110,7 3,6 79 -71,5 95,2 103,8 8,6 98,6 3,4 80 -19,6 96,4 101,7 5,3 95,2 1,2 81 -41,7 89,0 97,3 8,3 88,5 0,5 82 -77,4 78,1 89,3 11,2 76,4 1,7 83 -1,8 78,1 89,1 11,0 75,9 2,2 84 22,0 88,9 91,4 2,5 78,8 10,1 85 54,9 96,4 97,1 0,7 86,8 9,6 86 50,7 101,7 102,4 0,7 94,4 7,3 87 61,9 109,2 109,2 0 103,9 5,3 88 36,1 112,5 113,3 0,8 109,6 2,9 89 -6,2 104,8 112,6 7,8 107,8 3,0 90 -69,5 94,2 104,9 10,7 96,2 2,0 91 -89,5 79,2 95,3 16,1 82,1 2,9 92 -73,8 67,4 87,7 20,3 70,7 3,3 93 -47,3 61,0 82,9 21,9 63,3 2,3 94 6,8 68,4 83,6 15,2 64,0 4,4 95 90,0 88,9 92,8 3,9 77,5 11,4 96 102,9 106,2 103,7 2,5 93,0 13,2 97 71,1 111,2 111,5 0,3 104,1 7,1 98 37,1 111,6 115,7 4,1 109,8 1,8 99 -62,9 96,4 108,6 12,2 98,9 2,5 Функция F=8,08   F_y=6,19

Изобретение относится к газодобывающей промышленности. Техническим результатом является упрощение контроля герметичности, что приводит к повышению надежности и безопасности эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ). В предлагаемом способе осуществляют циклическое воздействие на пласт, при котором каждый цикл включает закачку газа в пласт с последующим отбором газа. Воздействие на пласт осуществляют, по меньшей мере, в течение 10 циклов. В каждом цикле периодически одновременно измеряют текущее пластовое давление $$\left(P_t^{ф}\right)$$ и объем отбора (или закачки) газа. С учетом измеренных параметров определяют расчетное давление в ПХГ $$\left(P_t^{Р}\right)$$ для режима эксплуатации хранилища без утечек газа и для режима эксплуатации хранилища с утечками газа. Затем определяют функцию (F) как среднеарифметическое значение отклонений $$\left(P_t^{Р}\right)$$ от $$\left(P_t^{ф}\right)$$ , полученных при каждом i-м измерении, для режима эксплуатации хранилища без утечек газа и функцию (F_y) для режима эксплуатации хранилища с утечками газа и при выполнении неравенства F_y<F делают вывод о наличии утечек газа в хранилище. 1 табл.

Способ определения герметичности подземных хранилищ газа с газовым режимом, характеризующийся циклическим воздействием на пласт, при котором каждый цикл включает закачку газа через эксплуатационные скважины в пласт до достижения величины пластового давления, не превышающего максимально допустимого проектного значения, с последующим отбором газа до достижения величины пластового давления не ниже минимально допустимого проектного значения, причем воздействие на пласт осуществляют, по меньшей мере, в течение 10 циклов, при этом в каждом цикле периодически одновременно измеряют текущее пластовое давление $$\left(P_t^{ф}\right)$$ и объем отбора (или закачки) газа, затем с учетом измеренных параметров определяют расчетное давление в подземном хранилище газа $$\left(P_t^{Р}\right)$$ для режима эксплуатации хранилища без утечек газа из соотношения
$${\Omega }_o{P}_t^P/Z_t-{\Omega }_o{P}_o/Z_o={\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}{q}_{t}dt,}$$
где Ω_o - газонасыщенный поровый объем ПХГ,
Р_o - начальное пластовое давление,
$$\left(P_t^{Р}\right)$$ - расчетное пластовое давление на момент времени t,
Z_o - начальный коэффициент сверхсжимаемости газа,
Z_t - коэффициент сверхсжимаемости газа на момент времени t,
q_t - объем закачки (или отбора) газа на момент времени t;
и для режима эксплуатации хранилища с утечками газа из соотношения
$${\Omega }_o{P}_t^P/Z_t-{\Omega }_o{P}_o/Z_o={\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}{q}_{t}dt-C_y}{\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}\frac{P_t^P}{Z_t}dt,}$$
где С_у - коэффициент пропорциональности утечки газа,
затем определяют функцию (F) как среднеарифметическое значение отклонений $$\left(P_t^{Р}\right)$$ от $$\left(P_t^{ф}\right)$$ , полученных при каждом i-м измерении, для режима эксплуатации хранилища без утечек газа $$F=\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{i=1}^n\left|\left(P_{ti}^P-P_{ti}^{Ф}\right)\right|}$$ ,
где n - количество замеров пластового давления,
i - порядковый номер замера пластового давления; и функцию (F_y) для режима эксплуатации хранилища с утечками газа
$$F_y=\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{i=1}^n\left|\left(P_{ti}^P-P_{ti}^{Ф}\right)\right|,}$$
и при выполнении неравенства F_y<F делают вывод о наличии утечек газа в хранилище.