Подземное хранение гелия

Гелий относится к редким элементам и обладает уникальными свойствами. Он характеризуется химической инертностью, более высокой по сравнению с другими редкими газами теплопроводностью (в 6 раз выше, чем у воздуха) и более низкой электропроводностью, малой растворимостью в жидкостях, низкой температурой сжижения (0,71–4,16 К), нетоксичностью, отсутствием цвета и запаха, невоспламеняемостью в газообразном состоянии и рядом других ценных свойств. При температуре ниже 2,2 К жидкий гелий становится сверхтекучим и обладает сверхтеплопроводностью.

Эта совокупность свойств гелия предопределяет неизбежность все возрастающего его применения в различных областях науки и техники: электронике, хроматографии, машиностроении, медицине, металлургии, атомной энергетике, космонавтике, метеорологии, криогенной технике и т.д.

Единственным экономически оправданным способом получения гелия является извлечение его из природного и попутного газов (при достаточном содержании) путем низкотемпературной конденсации.

Основные источники гелийсодержащих газов находятся в США, Канаде, России, Польше и Алжире. Гелийсодержащие месторождения в Польше и Канаде находятся на стадии истощения, также прогнозируется снижение добычи гелия в США.

В России с вводом в разработку высокогелиеносных месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока (содержание гелия в природном газе – 0,24–0,6 %) попутная добыча гелия будет неуклонно расти.

В связи с этим даже с учетом самого резкого роста спроса на гелий в краткосрочной перспективе будет наблюдаться значительное превышение объемов добычи гелия над потребностью. Учитывая рост цен на гелий и развитие научно-исследовательских и военных программ, следует уже сегодня позаботиться о возможности его долгосрочного хранения, чтобы избежать потерь этого уникального вещества и гарантировать его поставки в будущем.

Основным средством хранения и транспортировки жидкого гелия как для больших, так и для малых объемов, является сосуд Дьюара, в котором охлаждение производится жидким азотом. Сосуд Дьюара был выпущен в 1972 г. американской фирмой «Гарднер Криогеник». Например, контейнер вместимостью около 40 тыс. л жидкого гелия обеспечивает его хранение до 45 сут без потерь.

Для хранения гелия используются также стационарные хранилища жидкого гелия вместимостью до 120 тыс. л.

Для долгосрочного хранения гелия в промышленных объемах целесообразно использовать технологии подземного хранения газа, усовершенствованные с учетом уникальных свойств гелия (например, сверхтекучести).

В настоящее время гелий хранят в истощенных газовых месторождениях и соляных кавернах.

4.2.1. Опыт создания подземного хранилища
гелиевого концентрата на базе
истощенного газового месторождения

Первое подземное хранилище гелиевого концентрата было создано в 1963 г. в США (Амарилло, штат Техас) на базе истощенного газового месторождения Клиффсайд в структуре Буш Дэум
(рис. 29).

Толщина пласта Буш Дэум – 170 м, площадь – приблизительно 4500 га. Основной газодобывающий пласт, а также пласт, в котором хранится гелиевый концентрат, представлен доломитом, ангидритом, сланцем и прослойками песчаника. Глубина залегания пласта составляет около 1000 м. Пористость пласта – от 4 до 20 %, проницаемость – приблизительно 10 мД. Покрышка пласта – известняковое образование Панхендл, состоящее из непроницаемого ангидрита, толщиной приблизительно 120 м. Первоначальная концентрация гелия в природном газе – 1,8 %. Первоначальный объем газа в пласте – 8, 26 млрд м³.

Гелиевый концентрат (содержание гелия – до 80 %) поступает в хранилище по 8-дюймовому трубопроводу высокого давления. Газ до закачки в пласт пропускают через фильтр сухого типа, который удаляет 99 % инородных материалов в газовом потоке. Затем гелиевый концентрат проходит через измерительные зонды.

На Буш Дэум пробурено 23 скважины: две – на своде структуры, используются для закачки гелия; три – для наблюдения; остальные скважины закончены как газодобывающие. Из одной наблюдательной скважины периодически получают данные о давлении и объемах гелия, чтобы вовремя определить изменения, вызванные утечками гелиевого концентрата из пласта-коллектора. Две другие наблюдательные скважины были пробурены с целью определения производительности хранилища.

Рис. 29. Схема закачки гелиевого концентрата в месторождение

Для предотвращения вероятных утечек гелия через покрышку необходимо отслеживать, чтобы начальное давление в хранилище (5–6 МПа) не было превышено.

Для предотвращения утечек гелия из хранилища через ствол скважин на каждом соединении новых обсадных труб проводится магнитоскопия и контроль внутренней поверхности. Соединительные муфты оборудованы тефлоновыми уплотнительными кольцами. В каждую скважину опущены 2-дюймовые трубки и установлены колонные головки, оборудованные плунжерами для перекрытия трубок в случаях повреждений или отказов оборудования.

На 31 декабря 2007 г. объем гелиевого концентрата в хранилище Клиффсайд составлял 611,1 млн м³.

В течение всей программы хранения будет закачано около
1,8 млрд м³ гелиевого концентрата, содержащего 1,2 млрд м³ чистого гелия [19].

4.2.2. Опыт создания подземного хранилища гелия
в соляных кавернах

В России действует одно хранилище гелия в соляных кавернах. Оно построено на территории Оренбургского гелиевого завода для аккумулирования гелиевого концентрата (85–93 % гелия), полученного при глубокой переработке газа.

В результате геолого-гидрогеологических, прочностных и технологических исследований для создания этого ПХГ в солях были определены: оптимальная глубина заложения подземных резервуаров, максимальный пролет выработки, конструкция скважин и мероприятия по повышению ее герметичности.

Строительство подземных выработок-емкостей выполнено с использованием метода растворения каменной соли. Закачка гелия осуществляется мембранными компрессорами под давлением, обеспечивающим преодоление гидростатического давления столба рассола и гидравлических сопротивлений в системе трубопроводов. Отбор гелия осуществляется за счет избыточного давления в газовой шапке резервуара. Потери продукта из подземных резервуаров составляют менее 0,5 % от объема хранимого продукта.

Параметры хранилища:

- геометрическая емкость – 257 тыс. м³;

- газовая емкость – ~45–55 млн м³;

- максимальное давление – 18,0 МПа;

- минимальное давление газа – 5,0 МПа;

- производительность компрессора – 2000 м³/ч;

- производительность насоса – 40 м³/ч;

- утечки гелия – 0,012 % от объема хранения.

4.2.3. Новые технологии подземного хранения гелия
и гелиевого концентрата

В связи с освоением гелийсодержащих месторождений и ростом спроса на гелий в развивающихся отраслях промышленности в настоящее время особенно актуальной является задача обеспечения надежного хранения необходимых объемов гелия вблизи перспективных рынков его сбыта (Азиатско-Тихоокеанский регион). Для этого проводятся исследования герметичности слоев полимерных материалов с целью применения их в качестве покрытий при создании хранилищ гелия в тоннелях заброшенных шахт.

На данном этапе разрабатывается ряд технологий создания таких хранилищ. Ведутся эксперименты по возможности хранения гелия в эластичных резервуарах, изготовленных из гелийнепроницаемых полимерных материалов, смонтированных в шахтных тоннелях. Эластичные резервуары соединяются с поверхностной системой закачки и отбора трубопроводами через вертикальный ствол шахты. Данная технология является достаточно капиталоемкой и имеет ряд технических недостатков: сложность работ по герметизации стен тоннелей, ограниченная долговечность резервуаров для хранения гелия, значительные потери гелия при нарушениях герметичности резервуаров столь большого объема.

Однако ввиду массового закрытия угольных шахт в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке, а также в связи с отсутствием подходящих структур и эффективных способов хранения гелия данная технология представляется наиболее перспективной для организации хранения необходимых объемов гелия вблизи потенциальных рынков сбыта.