Наземные хранилища СПГ

В связи с развитием и либерализацией газовых рынков несколько меняются условия товарных отношений между импортерами и экспортерами природного газа. Это диктует необходимость в диверсификации импортно-экспортных поставок природного газа, развитии спотовой торговли на рынке природного газа и, соответственно, обеспечении надежности и безопасности законтрактованных поставок природного газа.

Такие условия предопределили стремительное развитие производственно-транспортной системы сжиженного природного газа (СПГ). Технологическая цепочка производства и применения СПГ включает: заводы по сжижению природного газа; терминалы по отправке (включая порты); резервуары для хранения СПГ; установки для загрузки метановозов, приемные терминалы СПГ и подразделения регазификации.

Первое низкотемпературное хранилище сжиженного метана было сооружено в 1939 г. в штате Виргиния (США). Сжиженный газ хранился в течение четырех месяцев в горизонтальном цилиндрическом резервуаре емкостью около 60 м³. Резервуар был изготовлен из никелевой стали (2 % Ni) и изолирован пробковыми плитами толщиной около 600 мм. В 1941 г. в районе г. Кливленд (штат Огайо, США) было введено в эксплуатацию низкотемпературное хранилище сжиженного метана, состоявшее из четырех больших резервуаров общей емкостью около 15 тыс. м³. В 1954 г. в Советском Союзе был построен завод сжиженного метана, на котором предполагалось соорудить два низкотемпературных хранилища: малое (оперативного характера) и большое для более длительного хранения. Первыми изотермическими резервуарами (конец 1950-х гг.) были металлические резервуары так называемой «самонесущей» конструкции.

В США и СССР разрабатывались также проекты создания льдогрунтовых хранилищ для СПГ емкостью примерно по 10 тыс. м³. Хранилище представляет собой сооружение глубокой выработки с изоляцией стенок грунта паронепроницаемыми материалами.

В мировой практике наибольшее распространение получили вертикальные цилиндрические изотермические резервуары (рис. 12). Несмотря на то, что при больших объемах хранилищ подземный способ хранения газов имеет значительные экономические преимущества, наземные резервуары для низкотемпературного хранения газов также широко применяют в различных областях техники.

Создание изотермических резервуаров мембранной конструкции позволило увеличить объемы емкостей для хранения сжиженных газов до 200 тыс. м³.

Экономически эффективным техническим решением являются резервуары СПГ с двойной стенкой: внутренний резервуар изготовлен из стали с содержанием никеля 9 %, а внешний – из предварительно напряженного бетона с обкладкой от утечек на внутренней поверхности. Сооружение имеет бетонную крышу и днище, оснащено системой защиты углов и днища. Подобные резервуары безопасны в работе и характеризуются весьма большими периодами безаварийной эксплуатации. В зарубежной практике наибольшее распространение получили конструкции крыш, собираемые и свариваемые из отдельных элементов на днище резервуара с последующим пневмоподъемом в проектное положение. В конструкции с самонесущей внутренней крышей избыточное давление газа воспринимается внутренним резервуаром. В межстенное пространство подается инертный газ, например азот, который сушит теплоизоляцию в процессе эксплуатации. Для хранения азота используют специальный газгольдер. В мировой практике широко распространена также конструкция подвесной плоской крыши. Принципиальное отличие такой конструкции от конструкции с самонесущей внутренней крышей заключается в том, что пар ы продукта свободно проникают в межстенное пространство через зазор между крышей и стенкой или через специальные отверстия в подвесной крыше.

Рис. 12. Классификация вертикальных цилиндрических изотермических резервуаров

Разновидностью наземных изотермических резервуаров являются металлические вертикальные цилиндрические резервуары, заглубленные в грунт, обычно на высоту корпуса (это делается по соображениям безопасности, для того чтобы объем закачиваемого газа не превышал уровня поверхности земли). Схема заглубленного изотермического резервуара приведена ниже (рис. 13).

Заглубленные резервуары принципиально не отличаются от наземных резервуаров открытой установки, но из-за необходимости проведения сложных и трудоемких земляных работ устройства специальных фундаментов с дренажем и гидроизоляцией более дорогостоящие, хотя вместе с тем более надежны, особенно в районах с повышенной сейсмичностью. Заглубленные резервуары не нуждаются в обваловании, и обязательное пространство между резервуарами и объектами (чтобы их обезопасить) относительно небольшое, что позволяет разместить все сооружение достаточно компактно.

Рис. 13. Схема конструкции заглубленного изотермического резервуара

Объем современных припортовых хранилищ, где СПГ может храниться от нескольких дней до двух месяцев, рассчитывается таким образом, чтобы они могли одновременно содержать груз не менее двух криогенных танкеров. Современные танкеры-метановозы перевозят в среднем по 150 000 м³ СПГ и ввиду быстрого развития рынка СПГ их грузоподъемность будет неуклонно расти (табл. 3).

Практика эксплуатации резервуаров для хранения сжиженных газов свидетельствует о целесообразности их использования в регионах с резко выраженными пиковыми расходами газа, когда коэффициент неравномерности газопотребления (отношение максимально суточного расхода к среднесуточному за год) составляет 1,8–2 и при значительной удаленности потребителя от месторождений – 800 км и более. Удельные эксплуатационные затраты наземных резервуаров на порядок выше, чем ПХГ, поэтому требуются достаточно веские обоснования эффективности их использования. Однако то, что метан при сжижении уменьшает свой объем в 600 раз и то, что строительство хранилищ мало зависит от геологических и прочих условий той или иной местности, делает их сооружение и эксплуатацию в ряде случаев экономически оправданным.

Таблица 3

Емкость действующих наземных хранилищ СПГ [4]

Страна	Суммарная емкость хранилищ СПГ, м3
Европа
Испания	2 337 000
Великобритания	800 000
Турция	535 000
Франция	510 000
Бельгия	380 000
Португалия	240 000
Греция	130 000
Италия	100 000
Итого	5 032 000
Северная Америка
США	879 000
Доминиканская Республика	160 000
Пуэрто-Рико	160 000
Итого	1 199 000
Азиатско-Тихоокеанский регион
Япония	14 130 300
Республика Корея	2 300 000
Тайвань	430 000
Итого	16 860 300
ВСЕГО	23 091 300

Согласно зарубежному опыту, на долю изотермических хранилищ приходится около 50 % суммарных капиталовложений в комплексы СПГ, что предъявляет повышенные требования к надежности конструкций хранилищ и технологии их эксплуатации.

3.3. Эксплуатация месторождения в режиме
хранилища-регулятора

Масштабы нестабильности рынка газа могут потребовать дополнения существующей системы ПХГ объектами хранения газа по нестандартным вариантам, одним из которых может быть придание некоторым действующим газовым или газоконденсатным месторождениям функций временного хранилища дополнительных объемов газа (сверх имеющегося количества). Месторождение должно быть расположено достаточно близко от системы магистральных или региональных газопроводов, а также обладать необходимыми параметрами (объем порового пространства, коллекторские свойства продуктивного пласта, текущие термобарические условия, в первую очередь, текущее пластовое давление). Если будет выбран подходящий объект, на промысле потребуется создать фонд нагнетательных скважин (из числа добывающих или бурения новых). Месторождение-регулятор или хранилище-регулятор могут работать в нескольких режимах, например постоянного или уменьшенного (по сравнению с предыдущим периодом) отбора газа при сезонной, циклической или периодической закачке.

Оптимальным объектом для перевода в режим регулятора является месторождение, характеризующееся указанными выше параметрами. Текущее пластовое давление в нем типично для ПХГ, что упрощает вхождение нового хранилища в общую систему ПХГ региона или страны в целом.

В 1998 г. ОАО «Газпром» было принято решение о переводе в режим хранилища-регулятора Вуктыльского нефтегазоконденсатного месторождения (НГКМ).

Оно расположено в средней части системы магистральных газопроводов Ямал – Европа. Месторождение было открыто в 1964 г. Начальные запасы газа в продуктивной толще (карбоно-пермские отложения) составляли 429,5 млрд м³, конденсата 141,6 млн т. В среднем около 18 % порового пространства в газонасыщенной части залежи было занято связанной водой, около 15 % – остаточной нефтью. На периферии залежи находится нефтяная оторочка (не сплошная). Начальный объем газонасыщенного порового пространства продуктивной толщи оценивали в 1,4 млрд м³.Следует отметить, что водонапорная система, контактирующая с подошвенной частью продуктивной части залежи, является слабоактивной: за период разработки запасов углеводородов обводнилась лишь незначительная доля газонасыщенного объема (несколько процентов). Средние коллекторские свойства продуктивной части пласта оценивались такими величинами, как пористость – 10 %, проницаемость – 10 мД. Значительные участки пласта являются зонами трещиноватости с трещинами различной протяженности. С 1968 г. месторождение разрабатывается в режиме истощения. К 1998 г. из его недр было извлечено около 81 % газа (от начальных запасов) и 31 % конденсата. Пластовое давление снизилось с начального 36,3 до 3,6 МПа. На двух полигонах – в районе УКПГ-8 и УКПГ-1 – с 1993 г. осуществляли крупный опытно-промышленный эксперимент по апробации способа доизвлечения выпавшего в пласте конденсата (технология низконапорного газового воздействия ООО «Газпром ВНИИГАЗ»). К 1998 г. были получены убедительные результаты, свидетельствовавшие об эффективности данной технологии.

Технологическая схема ООО «Газпром ВНИИГАЗ» (1998 г.) по переводу Вуктыльского НГКМ в режим хранилища-регулятора включала технико-технологические решения, обеспечившие развитие работ по низконапорному воздействию. Целесообразность такого подхода диктовалась необходимостью заполнить сырьевую базу Сосногорского газоперерабатывающего завода (район г. Ухты) на длительную перспективу. Из четырех расчетных вариантов перевода месторождения в режим хранилища-регулятора был выбран предусматривающий сезонную закачку в продуктивный пласт тюменского газа в объеме 2,5 млрд м³/год через 56 скважин в течение 10 лет. Отбор газа был запланирован в объеме 2,7 млрд м³/год. Эксплуатацию объекта в режиме хранилища-регулятора планируется осуществлять до 2031 г.

Благодаря переводу Вуктыльского НГКМ в режим хранилища-регулятора были решены одновременно несколько важных задач не только регионального, но и отраслевого масштаба. Перевод предполагалось осуществить в два этапа.

На первом этапе решаются следующие задачи:

- стабилизация энергетического состояния пласта-коллектора как объекта добычи газообразных и жидких углеводородов;

- поддержание работоспособности промысловой инфраструктуры;

- обеспечение сырьевой базы Сосногорского ГПЗ (для повышения глубины извлечения ценных компонентов промысловой продукции – фракции С₂₊ – на заводе в 2004 г. была проведена реконструкция);

- создание резерва газа и регулирование работы системы газопроводов Пунга – Вуктыл – Ухта – Торжок.

Эти задачи решаются с использованием существующих возможностей газодобывающего комплекса (не только Вуктыльского месторождения, но и других, значительно меньших по запасам месторождений региона) и прилегающего участка системы магистральных газопроводов. Газ нагнетается в пласт без дополнительного компримирования: давление в питающей газопроводной системе 5,5 (первая нитка) и 7,5 МПа (вторая нитка), в пласте давление не превысит 3,5–4,0 МПа.

На втором этапе наряду с предусмотренными мероприятиями первого этапа ставится задача обеспечения надежности эксплуатации газопроводной системы Ямал – Европа на основании использования Вуктыльского месторождения в качестве регулятора сезонной и аварийной неравномерности потребления газа. С учетом динамики рынка газа создаваемый комплекс может выполнять дополнительные функции по регулированию потоков газа. Также предусматривается создание на Вуктыльском НГКМ стратегических резервов газа с давлением в пласте до 8–12 МПа, существенно превышающем текущее.

Следует учитывать, что продуктивный пласт Вуктыльского месторождения как емкость для хранения резервов газа залегает на значительной глубине: отметка кровли резервуара находится в интервале 2100–3300 м. Кроме того, массив пласта-коллектора характеризуется наличием обширных зон трещиноватости. Однако объект обладает важными преимуществами, которые в совокупности предопределяют эффективность перевода месторождения в режим хранилища-регулятора.