СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ОБЪЕМЕ ПОДЗЕМНОГО ХРАНИЛИЩА Российский патент 2020 года по МПК B65G5/00 F17C7/00 

Настоящее изобретение касается хранения сжимаемой текучей среды, подобной гелию, в объеме подземного хранилища, например в подземных кавернах, и способа регулирования давления в таком объеме подземного хранилища в случае, когда несжимаемую текучую среду вводят в такой объем подземного хранилища или извлекают из него.

Известно использование подземных каверн для хранения газов и жидкостей, подобных, например, природному газу или сырой нефти. Например, такие подземные каверны выщелачивают в соляных пластах или образуют разработкой твердых пород. В таких подземных кавернах необходимо иметь минимальное давление для поддержания структурной целостности каверны и для предотвращения обрушения каверны. В известных способах это гарантируется минимальным объемом газа, который всегда остается в каверне. Этот минимальный объем газа обычно называют образующим подушку газом. В известных способах в таких кавернах находится максимальное количество сохраняемой текучей среды.

Задача настоящего изобретения заключается в создании способа регулирования давления в объеме подземного хранилища, в котором, по меньшей мере частично, исключены недостатки, известные из предшествующего уровня техники.

Эта задача решается признаками из независимого пункта формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения касаются предпочтительных вариантов осуществления изобретения.

Согласно настоящему изобретению предложен способ регулирования давления в объеме подземного хранилища, в котором объем подземного хранилища, по меньшей мере частично, заполняют несжимаемой текучей средой, в котором выполняют мониторинг давления в объеме подземного хранилища, в котором сжимаемую текучую среду можно вводить в объем подземного хранилища и извлекать из него, в котором, если давление в объеме подземного хранилища достигает заданного верхнего предела давления, несжимаемую текучую среду извлекают из объема подземного хранилища для снижения давления в объеме хранилища; в котором, если давление в объеме подземного хранилища достигает заданного нижнего предела давления, несжимаемую текучую среду вводят в объем подземного хранилища для повышения давления в объеме подземного хранилища.

Предпочтительно, чтобы объем подземного хранилища был подземной каверной, в частности, выщелоченной каверной в соляном пласте. Такие каверны обычно характеризуются максимальным давлением и минимальным давлением. Если давление в каверне выше максимального давления или ниже минимального давления, сама каверна может повреждаться. Значения максимального и минимального давлений в основном зависят от геологических условий образования каверны, например, от вида пород и/или структуры каверны. Для полного исключения структурного повреждения каверны верхний предел давления выбирают несколько ниже максимального давления, в частности, на около 1% ниже максимального давления, а нижний предел давления выбирают несколько выше минимального давления, в частности, на около 1% выше минимального давления, чтобы гарантировать максимальное использование хранилища.

В качестве несжимаемой текучей среды предпочтительно использовать соляной раствор, поскольку он хорошо подходит, в частности, для выщелоченных каверн в соляных пластах. В качестве сжимаемой текучей среды можно использовать водород или гелий, в частности, предпочтителен гелий.

Способ согласно настоящему изобретению позволяет управлять давлением, при этом несжимаемую текучую среду используют для регулирования перепадов давления, которые создаются при вводе или извлечении сжимаемой текучей среды. Тем самым можно исключить использование образующего подушку газа. Кроме того, при многоцикловом процессе сжимаемый газ вводят в объем подземного хранилища до достижения верхнего предела давления, тогда как затем давление в объеме подземного хранилища снижают путем удаления части несжимаемой текучей среды, так что давление в каверне снижается. Это позволяет снова вводить сжимаемую текучую среду, повышая количество сжимаемой текучей среды, которую можно хранить в объеме подземного хранилища. Предпочтительно извлекать несжимаемую текучую среду из объема подземного хранилища до тех пор, пока давление в объеме подземного хранилища не достигнет нижнего предела давления. После этого сжимаемую текучую среду в некотором количестве снова можно вводить в объем подземного хранилища до тех пор, пока давление в объеме подземного хранилища не достигнет верхнего предела давления. Повторением этого цикла можно значительно увеличить емкость объема подземного хранилища, предназначенного для хранения сжимаемой текучей среды.

Если нет необходимости вводить сжимаемую текучую среду в объем подземного хранилища, то предпочтительно поддерживать давление в объеме подземного хранилища близким к верхнему пределу давления, поскольку при этом поддерживается максимальное количество сохраняемой сжимаемой текучей среды. Обычно сжимаемую текучую среду подают по трубопроводу. Поэтому в зависимости от давления в подземном хранилище обычно необходимо сжимать сжимаемую текучую среду до более высокого давления либо при вводе сжимаемой текучей среды в объем подземного хранилища, либо при извлечении сжимаемой текучей среды из объема подземного хранилища.

Согласно предпочтительному варианту осуществления ввод или извлечение сжимаемой текучей среды завершают, если при вводе сжимаемой текучей среды достигают верхнего предела давления или если при извлечении сжимаемой текучей среды достигают нижнего предела давления.

Это позволяет безопасно использовать объем подземного хранилища, насколько это возможно, чтобы надежно исключать достижение максимального или минимального давления, которое не может выходить за пределы без структурного повреждения объема подземного хранилища.

В этой связи также предпочтительно завершать ввод или извлечение сжимаемой текучей среды при условии выполнения по меньшей мере одного из следующих условий:

а) истекает заданная задержка после начала завершения; и

b) достигается заданный уровень давления.

Эти обеспечивается определенное снижение давления в объеме подземного хранилища, если ввод сжимаемой текучей среды завершают, чтобы дать возможность давлению в объеме подземного хранилища понизиться до начала повторного ввода сжимаемой текучей среды в объем подземного хранилища. С другой стороны, этим обеспечивается определенное повышение давления в объеме подземного хранилища, если извлечение сжимаемой текучей среды завершают, чтобы дать возможность давлению в объеме подземного хранилища повыситься до начала повторного извлечения сжимаемой текучей среды из объема подземного хранилища.

Согласно дальнейшему варианту осуществления несжимаемую текучую среду подают в резервуар после извлечения из объема подземного хранилища и подают из резервуара в объем подземного хранилища для ввода в объем подземного хранилища.

Применение резервуара позволяет стабильно использовать объем подземного хранилища. В частности, если соляной раствор используют в качестве несжимаемой текучей среды, то предпочтительно располагать крупный резервуар с соляным раствором вблизи объема подземного хранилища или соляной каверны, что позволит незамедлительно использовать соляной раствор в качестве среды для повышения давления в объеме подземного хранилища.

Согласно дальнейшему усовершенствованию сжимаемая текучая среда представляет собой по меньшей мере одну из азота, воздуха, диоксида углерода, водорода, гелия и аргона.

Особенно предпочтительно использовать гелий в качестве сжимаемой текучей среды. При использовании этого изобретения можно без труда хранить гелий высокой чистоты, например выше чем 99 об.% (% по объему), в соляной каверне.

Согласно усовершенствованию сжимаемую текучую среду вводят в объем подземного хранилища и извлекают из него в газообразном состоянии.

При вводе и извлечении газообразной сжимаемой текучей среды снижаются требования к используемому оборудованию. В частности, стандартные насосы могут использоваться для сжатия сжимаемой текучей среды.

Согласно дальнейшему усовершенствованию несжимаемая текучая среда представляет собой по меньшей мере одну из соляного раствора, воды и водной суспензии.

Соляной раствор, вода и водная суспензия представляют собой несжимаемые текучие среды, который являются легкодоступными. В частности, предпочтителен соляной раствор, предпочтительно использовать каверну в качестве объема подземного хранилища. Понятно, что соляной раствор должен быть раствором по меньшей мере одной соли, в частности, содержащим хлорид натрия (NaCl) в воде (H₂O). Под термином «водная суспензия» понимается жидкая смесь распыленного твердого вещества с водой. В частности, в способе согласно изобретению предпочтительно использовать несжимаемую текучую среду на водной основе, подобную, например, растворимой в воде только в определенной ограниченной степени, в качестве до некоторой степени сжимаемым текучих сред. Поэтому при хранении такой сжимаемой текучей среды в объеме подземного хранилища, который содержит значительное количество несжимаемой текучей среды на водной основе, будут иметься только очень ограниченные потери сжимаемой текучей среды, а сжимаемая текучая среда и несжимаемая текучая среда будут оставаться в основном разделенными.

Согласно дальнейшему усовершенствованию сжимаемую текучую среду обезвоживают после извлечения из объема подземного хранилища.

Обычно сохраняемую сжимаемую текучую среду, подобную, например, гелию, предназначаемую для дальнейшего использования после извлечения из объема подземного хранилища, необходимо очищать. Поглощение влаги возможно в определенной степени, а обезвоживание позволяет значительно снижать влагоемкость или влажность.

В этой связи предпочтительно выполнять обезвоживание путем направления сжимаемой текучей среды через молекулярное сито.

В качестве молекулярного сита предпочтительно использовать диоксид кремния. В ином случае алюмосиликат или цеолит является предпочтительным вариантом молекулярного сита.

Согласно дальнейшему усовершенствованию углеводороды удаляют из сжимаемой текучей среды.

При использовании объемов подземных хранилищ для хранения сжимаемых текучих сред часто остаются отложения после первичного использования объемов подземных хранилищ, например после разработки месторождений полезных ископаемых. Они могут быть либо остатками вещества, которое добывалось, либо остатками химических продуктов, использовавшихся при разработке месторождений. В этой связи предпочтительно удалять углеводороды из сжимаемой текучей среды.

В этой связи предпочтительно направлять сжимаемую текучую среду через слой активированного углерода для удаления углеводородов.

Использование активированного углерода является надежным и экономически выгодным способом удаления углеводородов из сжимаемой текучей среды.

Согласно дальнейшему усовершенствованию атмосферные загрязнители, такие как кислород, азот и/или диоксид углерода, но без ограничения ими, удаляют из сжимаемой текучей среды адсорбцией с перепадом давления.

В частности, если водород или гелий используют в качестве сжимаемых текучих сред, атмосферные загрязнители, имеющие более высокую точку кипения, чем сжимаемая текучая среда, могут загрязнять сжимаемую текучую среду. Адсорбция с перепадом давления является легко применимым способом удаления указанных загрязнителей из сжимаемой текучей среды.

Согласно дальнейшему варианту осуществления объем подземного хранилища представляет собой подземную соляную каверну.

Соляные каверны обнаруживают, чтобы создавать объемы хранилищ, являющиеся непроницаемыми даже при хранении низкомолекулярных газов, подобных водороду или гелию, в качестве несжимаемых текучих сред. Соляные каверны являются хорошо доступными и обычно сразу представляют собой источник несжимаемой текучей среды, а именно соляного раствора.

Согласно дальнейшему усовершенствованию, если сжимаемая текучая среда подлежит вводу в объем подземного хранилища, выполняют по меньшей мере один раз следующие этапы, на которых:

а) снижают давление в объеме подземного хранилища, извлекая несжимаемую текучую среду, предпочтительно до достижения нижнего предела давления; и

b) вводят сжимаемую текучую среду, предпочтительно до достижения верхнего предела давления.

Согласно дальнейшему усовершенствованию, если сжимаемая текучая среда подлежит извлечению из объема подземного хранилища, выполняют по меньшей мере один раз следующие этапы, на которых:

а) извлекают сжимаемую текучую среду из объема подземного хранилища, предпочтительно до достижения нижнего предела давления; и

b) вводят несжимаемую текучую среду для повышения давления в объеме подземного хранилища, предпочтительно до достижения верхнего предела давления.

Следует отметить, что отдельные признаки, описанные в формуле изобретения, можно объединять друг с другом любым заданным технологически приемлемым способом и образовывать дальнейшие варианты осуществления изобретения. В описании, в частности в сочетании с чертежами, изобретение поясняется дополнительно и приводятся особенно предпочтительные варианты осуществления изобретения. Теперь на основании сопровождающих чертежей особенно предпочтительные варианты осуществления изобретения и также область технического применения будут пояснены более подробно. Следует отметить, что примеры вариантов осуществления, показанные на чертежах, не предполагаются ограничивающими изобретение. Чертежи являются схематичными и могут быть выполнены не в масштабе. На чертежах:

фиг. 1 - примерная диаграмма давления в объеме подземного хранилища; и

фиг. 2 - пример оборудования, предназначенного для выполнения способа регулирования давления в объеме подземного хранилища.

На фиг. 1 показано изменение давления p в объеме подземного хранилища в зависимости от времени t. Объем подземного хранилища представляет собой подземную соляную каверну, которая имеет обусловленные геологическими свойствами максимальное давление и минимальное давление. Она заполнена как несжимаемой текучей средой, в этом примере соляным раствором, так и сжимаемой текучей средой, в этом примере гелием. Она используется для хранения гелия. Поэтому гелий требуется часто вводить в объем подземного хранилища и извлекать из него.

Если давление p в объеме подземного хранилища выше максимального давления или ниже минимального давления, структурная целостность объема подземного хранилища подвергается опасности. Поэтому давление p в объеме подземного хранилища регулируют, чтобы оно находилось в пределах заданного интервала давлений, имеющего заданный нижний предел p_min давления и заданный верхний предел p_max давления, который полностью находится между максимальным давлением и минимальным давлением. Этим гарантируется, что объем подземного хранилища может использоваться без структурного повреждения его.

Начиная с исходного давления на этапе 1, которое близко к верхнему пределу p_max давления, возникает необходимость в хранении дополнительного количества гелия. Если в этой ситуации тотчас же начать вводить гелий в подземное хранилище, будет опасность структурного повреждения объема подземного хранилища. Поэтому прежде всего давление в объеме подземного хранилища снижают путем извлечения на этапе 2 соляного раствора из объема подземного хранилища до тех пор, пока давление не будет несколько выше нижнего предела p_min давления. После этого на этапе 3 гелий вводят в объем подземного хранилища до достижения давления, близкого к верхнему пределу p_max давления. Затем на еще одном этапе 2 извлечения соляного раствора давление опять снижают до достижения давления, близкого к нижнему пределу p_min давления. На еще одном этапе ввода 3 гелия в объем подземного хранилища еще одно количество гелия вводят в объем подземного хранилища. Теперь в течение некоторого времени давление в объеме подземного хранилища поддерживают постоянным до тех пор, пока не возникнет потребность извлекать гелий на этапе 4 извлечения гелия. После этого для доведения давления обратно к давлению, близкому к верхнему пределу p_max давления, выполняют этап 5 ввода соляного раствора в объем подземного хранилища.

На фиг. 2 схематично показано оборудование, используемое для регулирования давлении в объеме 6 подземного хранилища, представляющем собой соляную каверну. Объем 6 подземного хранилища частично заполнен несжимаемой текучей средой 7, а именно соляным раствором, и сжимаемой текучей средой 8, а именно гелием. Объем 6 подземного хранилища используют для хранения сжимаемой текучей среды 8, которую извлекают из объема 6 подземного хранилища в случае необходимости и которую вводят в объем 6 подземного хранилища при необходимости хранения сжимаемой текучей среды 8. В случае необходимости ввода несжимаемой текучей среды 7 в объем 6 подземного хранилища для повышения давления в объеме 6 подземного хранилища это осуществляют в базовую секцию объема 6 подземного хранилища по трубопроводу 9 соляного раствора, который соединен через клапан 10 с насосом 11 ввода соляного раствора. Нанос 11 ввода соляного раствора перекачивает соляной раствор в качестве несжимаемой текучей среды из непоказанного резервуара по трубопроводу 9 соляного раствора в нижнюю область объема 6 подземного хранилища. При необходимости извлечения несжимаемой текучей среды из объема 6 подземного хранилища это осуществляют в резервуар по трубопроводу 9 соляного раствора, который также соединен через клапан 10 с насосом 12 извлечения соляного раствора. Следует отметить, что функции насоса 11 ввода соляного раствора и насоса 12 извлечения соляного раствора можно сочетать в одном насосе.

Сжимаемую текучую среду вводят в объем 6 подземного хранилища и извлекают из него по трубопроводу 13 гелия, который заканчивается в верхней головной секции объема 6 подземного хранилища. Гелий легче, чем соляной раствор, поэтому гелий собирается в верхней области объема 6 подземного хранилища, тогда как соляной раствор собирается в нижней области объема 6 подземного хранилища. Для исключения потерь гелия объем 6 подземного хранилища герметизирован уплотнением 14.

В первом средстве 15 транспортировки гелия находится гелий в жидком состоянии, подлежащий хранению в объеме 6 подземного хранилища. Этот жидкий гелий испаряют в испарителе 16 и затем сжимают в компрессоре 17, чтобы подать через клапан 10 и по трубопроводу гелия в головную секцию объема 6 подземного хранилища. Конечно, вместо использования первого средства 15 транспортировки гелия можно перекачивать гелий непосредственно от источника гелия в объем 6 подземного хранилища.

В случае извлечения гелия из объема 6 подземного хранилища гелий направляют по трубопроводу 13 гелия и через клапан 10 в установку 18 для обезвоживания газообразного гелия, содержащую молекулярное сито, и далее в установку 19 для удаления углеводородов, включающую в себя слой активированного углерода. Затем газообразный гелий подают в ожижитель 20, в котором газообразный гелий сжижают. Сжиженный газообразный гелий подают в промежуточное хранилище 21 гелия, из которого его можно заливать во второе средство 22 транспортировки гелия. Вместо второго средства 22 транспортировки гелия можно подавать гелий непосредственно к месту использования.

Для регулирования давления p в объеме 6 подземного хранилища в этом примере соляной раствор вводят в объем 6 подземного хранилища для повышения давления и извлекают из объема 6 подземного хранилища для снижения давления в объеме 6 подземного хранилища. При этом, как показано стрелкой 23, изменяется уровень несжимаемой текучей среды.

Способ согласно настоящему изобретению позволяет повышать количество сжимаемой текучей среды, подобной гелию, сохраняемой в объеме 6 подземного хранилища, например в соляной каверне, регулированием давления путем ввода или извлечения несжимаемой текучей среды, подобной соляному раствору.

Позиционные обозначения

1 - исходное давление

2 - извлечение соляного раствора

3 - ввод гелия

4 - извлечение гелия

5 - ввод соляного раствора

6 - объем подземного хранилища

7 - несжимаемая текучая среда

8 - сжимаемая текучая среда

9 - трубопровод соляного раствора

10 - клапан

11 - насос ввода соляного раствора

12 - насос извлечения соляного раствора

13 - трубопровод гелия

14 - уплотнение

15 - первое средство транспортировки гелия

16 - испаритель

17 - компрессор

18 - установка для обезвоживания

19 - установка для удаления углеводородов

20 - ожижитель

21 - промежуточное хранилище гелия

22 - второе средство транспортировки гелия

23 - изменение уровня несжимаемой текучей среды

p - давление

p_max - верхний предел давления

p_min - нижний предел давления

t - время

Способ регулирования давления (p) в объеме (6) подземного хранилища заключается в том, что объем (6) подземного хранилища, по меньшей мере частично, заполняют несжимаемой текучей средой (7), выполняют мониторинг давления в объеме (6) подземного хранилища, в котором сжимаемую текучую среду (8) можно вводить в объем (6) подземного хранилища и извлекать из него. Если давление (p) в объеме (6) подземного хранилища достигает заданного верхнего предела (p_max) давления, несжимаемую текучую среду (7) извлекают из объема (6) подземного хранилища для снижения давления (p) в объеме (6) подземного хранилища. Если давление (p) в объеме подземного хранилища достигает заданного нижнего предела (p_min) давления, несжимаемую текучую среду (7) вводят в объем (6) подземного хранилища для повышения давления (p) в объеме (6) подземного хранилища. Способ согласно настоящему изобретению позволяет повышать количество сжимаемой текучей среды, подобной гелию, сохраняемой в объеме (6) подземного хранилища, например в соляной каверне, регулированием давления путем ввода или извлечения несжимаемой текучей среды, подобной соляному раствору. 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ регулирования давления (p) в объеме (6) подземного хранилища, в котором:

заполняют объем (6) подземного хранилища, по меньшей мере частично, несжимаемой текучей средой (7),

выполняют мониторинг давления в объеме (6) подземного хранилища,

вводят сжимаемую текучую среду (8) в объем (6) подземного хранилища и извлекают из него, при этом

если давление (p) в объеме (6) подземного хранилища достигает заданного верхнего предела (p_max) давления, несжимаемую текучую среду (7) извлекают из объема (6) подземного хранилища для снижения давления (p) в объеме (6) подземного хранилища; и

если давление (p) в объеме подземного хранилища достигает заданного нижнего предела (p_min) давления, несжимаемую текучую среду (7) вводят в объем (6) подземного хранилища для повышения давления (p) в объеме (6) подземного хранилища,

причем, если сжимаемая текучая среда (8) подлежит вводу в объем (6) подземного хранилища, выполняют по меньшей мере один раз следующие этапы, на которых:

а) снижают давление (p) в объеме (6) подземного хранилища, извлекая несжимаемую текучую среду (7), предпочтительно до достижения нижнего предела (p_min) давления; и

b) вводят сжимаемую текучую среду (8), предпочтительно до достижения верхнего предела (p_max) давления.

2. Способ по п. 1, в котором ввод или извлечение сжимаемой текучей среды (8) завершают, если при вводе сжимаемой текучей среды (8) достигают верхнего предела (p_max) давления или если при извлечении сжимаемой текучей среды (8) достигают нижнего предела (p_min) давления.

3. Способ по п. 2, в котором ввод или извлечение сжимаемой текучей среды (8) завершают при условии выполнения по меньшей мере одного из следующих условий:

а) истекает заданная задержка после начала завершения; и

b) достигается заданный уровень давления.

4. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором несжимаемую текучую среду (7) подают в резервуар после извлечения из объема (6) подземного хранилища и подают из резервуара в объем (6) подземного хранилища для ввода в объем (6) подземного хранилища.

5. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором сжимаемая текучая среда (8) представляет собой одно из азота, воздуха, диоксида углерода, водорода, гелия и аргона.

6. Способ по п. 5, в котором сжимаемую текучую среду (8) вводят в объем (6) подземного хранилища и извлекают из него в газообразном состоянии.

7. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором несжимаемая текучая среда (7) представляет собой по меньшей мере одно из соляного раствора, воды и водной суспензии.

8. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором сжимаемую текучую среду (8) обезвоживают после извлечения из объема (6) подземного хранилища.

9. Способ по п. 8, в котором обезвоживание выполняют направляя сжимаемую текучую среду через молекулярное сито.

10. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором углеводороды удаляют из сжимаемой текучей среды.

11. Способ по п. 10, в котором сжимаемую текучую среду направляют через слой активированного углерода для удаления углеводородов.

12. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором атмосферные загрязнители, такие как кислород (O₂), азот (N₂), оксид углерода (CO₂), удаляют из сжимаемой текучей среды адсорбцией с перепадом давления.

13. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором объем (6) подземного хранилища представляет собой подземную соляную каверну.

14. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором, если сжимаемая текучая среда (8) подлежит извлечению из объема (6) подземного хранилища, выполняют по меньшей мере один раз следующие этапы, на которых:

а) извлекают сжимаемую текучую среду (8) из объема (6) подземного хранилища, предпочтительно до достижения нижнего предела (p_min) давления; и

b) вводят несжимаемую текучую среду (7) для повышения давления (p) в объеме (6) подземного хранилища, предпочтительно до достижения верхнего предела (p_max) давления.