Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Технические проблемы эксплуатации ПХГ
1.1. Технология подземного хранения газа в водоносных пластах и истощенных газовых залежах II
1.2. Общая характеристика основных технологических процессов эксплуатации ПХГ 23
1.3. Метод материального баланса 28
1.4. Обзор и анализ научно-технической литературы в области ПХГ 34
1.5. Цели и задачи исследований, изложенных в диссертации 45
ГЛАВА 2. Мониторинг параметров циклической эксплуатации ПХГ 47
2.1. Гистерезисные диаграммы циклической эксплуатации подземного газохранилища 48
2.2. Построение гистерезисных диаграмм Краснодарского ПХГ 7 52
2.3. Мониторинг параметров эксплуатации ПХГ на основе гистерезисных диаграмм 69
2.4. Оценка работающей составляющей буферного газа 74
2.5. Оценка буферного газа на примере Краснодарского ПХГ 81
ГЛАВА 3. Исследование потерь газа в подземных хранилищах за счет растворения в воде 84
3.1. Общие сведения о растворимости газов в воде 85
3.2. Опытные методы определения содержания газа в пластовой воде 97
3.3. Результаты гидрогеологических исследований в Краснодарском ПХГ 102
3.4. Расчет растворимости природного газа в пластовой воде Краснодарского ПХГ 108
3.5. Математическая модель процесса переноса газа в растворённом в воде виде 114
3.6. Примеры расчёта естественной убыли газа для конкретных подземных газохранилищ
3.6.1. Расчет естественной убыли газа в Краснодарском ПХГ 122
3.6.2. Расчет естественной убыли газа в Щелковском ПХГ 124
3.6.3. Расчет естественной убыли газа в Касимовском ПХГ 126
ГЛАВА 4. Разрушение продуктивных коллекторов подземных хранилищ. газа в результате уменьшения количества буферного газа
4.1. Характеристики горных пород слагающих пласт ПХГ 130
4.2. Анализ работ, посвященных причинам разрушения пористого коллектора 133
4.3. Разрушение продуктивных коллекторов ПХГ в результате неконтролируемых потерь буферного газа 140
4.4. Анализ диаграмм Краснодарского ПХГ 144
Выводы и рекомендации 148
Список использованной литературы
- Технология подземного хранения газа в водоносных пластах и истощенных газовых залежах
- Гистерезисные диаграммы циклической эксплуатации подземного газохранилища
- Опытные методы определения содержания газа в пластовой воде
- Характеристики горных пород слагающих пласт ПХГ
Введение к работе
Диссертация посвящена развитию теории и методов эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ), созданных (или создаваемых) в водоносных пластах и истощенных газовых залежах. Основная цель выполненных иссле-довайий состоит в разработке методов своевременного предупреждения и устранения некоторых специфических осложнений, возникающих при эксплуатации хранилищ данного типа. Специфическими осложнениями являются всевозможные потери и уходы газа, имеющие место в подземной части ПХГ. Причины потерь и уходов газа - это перетоки газа в другие горизонты; утечки газа через различные нарушения герметичности кровли и подошвы пласта; уходы газа за пределы купольного поднятия за счет чрезмерного расширения контура газоносности; заполнение газом различных карманов и полуизолированных пустот в сложном неоднородном пласте, а также унос растворенного газа пластовой водой, многократно увеличенный вследствие циклического характера эксплуатации ПХГ и т.п.
Для достижения сформулированной цели развивается теория непрерывного мониторинга внутренних параметров ПХГ на основе гистерезисных (p/Z-V) - диаграмм. Излагается теория таких диаграмм, техника их построения и анализа. Развиваются методы диагностики объемов активного и буферного газа, контурного давления, объема мигрирующей воды (т.е. воды, вытесняемой из полости ПХГ при закачках и внедряющейся в эту полость при отборах), а также предлагается и обосновывается теория расчета естественной убыли газа в ПХГ за счет растворения в воде. Результаты теоретического анализа иллюстрируются на примере из практики эксплуатации Краснодарского ПХГ, расположенного на Северном Кавказе.
Актуальность выбранного направления определяется значительностью роли, которую играет подземное хранение газа в работе газотранспортных систем в целом. В сущности, подземные хранилища газа - это резервуар-
5 ные парки магистральных газопроводов,^ т.е. объекты, без которых газотранспортная система не в состоянии нормально функционировать.
Необходимость в хранилищах газа большой вместимости диктуется, главным образом, неравномерностью потребления газа на промышленные и коммунальные нужды. Поверхностные резервуары не в состоянии разместить и безопасно содержать под давлением значительные объемы газа, в то время как подземные хранилища газа способны хранить огромные количества газа под давлением 9-12 МПа и выше без угрозы для людей, промышленных и гражданских объектов.
Существуют различные типы подземных газохранилищ, как, например, газохранилища, создаваемые в истощённых газовых и нефтяных залежах, газохранилища в соляных кавернах естественного происхождения или создаваемых искусственно, путем размыва полостей и выщелачивания вещества, и газохранилища в водоносных пластах, т.е. пластах первоначально заполненных водой.
Наиболее экономичными ПХГ являются подземные газохранилища, созданные в истощённых или находящихся на стадии истощения нефтяных и газовых залежах. Это обусловлено хорошей геофизической изученностью, имеющимся обустройством, сокращением сроков ввода ПХГ в эксплуатацию.
Вместе с тем определённая часть хранилищ для регулирования неравномерности газопотребления создаётся в водоносных пластах. Это объясняется тем, что в крупных газопотребляющих районах, где наиболее целесообразно создавать ПХГ большого объёма, не имеется выработанных нефтяных и газовых месторождений. Подземные хранилища газа могут быть созданы практически в любых районах, тяготеющих к трассам магистральных газопроводов или вблизи городов и промышленных центров, являющихся крупными потребителями газа. Подземное хранение газа является общепринятой технологией, используемой сегодня во всем мире.
Развитие теории проектирования и эксплуатации подземных хранилищ газа в нашей стране имеет более чем полувековую историю. Достижения в этой области связаны с именами известных ученых, таких как И.А. Чарный, А.И. Ширковский, А.Л. Хейн, С.Н. Бузинов, Е.В. Левыкин, М.В. Филинов, Д.И. Астрахан, A.M. Власов, Г.Г. Гершанович, Р.Ф. Гимер, А.Е. Евгеньев, Г.И. Задора, С.Н. Закиров, М.Ф. Каримов, М.В. Лурье, В.М. Максимов, А.А. Михайловский, Г.И. Солдаткин, и др., а также зарубежных исследователей А. Ван Эвердингена, Е. Вудса, Д.Каца, Г. Кречтмара, К. Кутса, М.Р.Тека, В. Херска и др.
Благодаря основополагающим решениям выдающихся организаторов газовой промышленности А.К. Кортунова, С.А. Оруджева, В.А. Динкова, Н.К. Байбакова, В.А. Каламкарова, М.В. Сидоренко, К.К. Смирнова и др.; в нашей стране создана и функционирует сеть подземных хранилищ газа, включающих в настоящее время 23 единицы (общим объемом ~ 150 млрд. м хранимого газа).(табл.1.1) Большая заслуга в проектировании подземных хранилищ газа принадлежит научно-исследовательским и проектным институтам ВНИИГАЗ и ВНИПИТРАНСГАЗ, а также ООО «ПОДЗЕМГАЗ-ПРОМ».
Несмотря на успешное функционирование сети подземных хранилищ газа, существуют серьезные технические проблемы их эксплуатации, требующие развития новых подходов и методов оценки явлений, происходящих в подземной части ПХГ. В диссертации развиваются методы непрерывного мониторинга тех параметров ПХГ, которые недоступны непосредственному измерению, а также анализа этих параметров с целью диагностики и предотвращения возможных осложнений при эксплуатации ПХГ.
Одной из наиболее существенных причин, осложняющих работу ПХГ в водоносных пластах или истощенных газовых залежах, является ослабление функций той части газа, находящегося в хранилище, которая называется буферным газом. Как известно, главное назначение этой составляющей газа со- стоит в обеспечении своевременной подачи коммерческого или, как его еще называют, активного газа, к эксплуатационным скважинам в осенне-зимние периоды отбора газа из ПХГ. Существуют, однако, факторы, из-за которых буферный газ с первых же циклов (или со временем) либо не обеспечивает отбор газа, либо обеспечивает его, но не в полном объеме. Этими факторами являются, прежде всего, различные потери газа и уходы газа за замки лову- і шек.
Кроме того, потери и уходы буферного газа могут приводить к разрушению скелета продуктивного коллектора ПХГ, образованию и повышенному выносу песка, а также увеличению водного фактора (т.е. увеличению содержания воды в извлекаемом из ПХГ газе). Вот почему проблемы прогнозирования, своевременной диагностики и предотвращения потерь и уходов газа в ПХГ, являющиеся центральными в данном исследовании, актуальны.
Основные результаты диссертации предлагают оперативные методы диагностики осложнений, поименованных выше, вскрывают механизм их действия и влияние на интегральные показатели работы ПХГ, а также формулируют мероприятия для снижения или устранения их отрицательной роли.
Научная новизна выполненного исследования состоит в разработке новых аспектов теории и техники оперативного мониторинга параметров состояния подземной части ПХГ, базирующейся на использовании гистерезис-ных (p/Z-V) - диаграмм, а также апробации этой техники на анализе работы конкретных ПХГ.
Новой является развиваемая в диссертации теория естественной убыли газа за счет его частичного растворения в пластовой воде при циклической эксплуатации хранилища.
Научной новизной обладают выводы о влиянии соотношения активного и буферного газа на интенсивность знакопеременных нагрузок на скелет вмещающих пород, ведущих к разрушению последнего.
Диссертация состоит из четырех глав и приложений.
Первая глава посвящена технологии подземного хранения газа в водоносных пластах и истощенных месторождениях. Дана общая характеристика основных технологических процессов эксплуатации ПХГ, Рассмотрен метод материального баланса газа, используемый для контроля запасов газа в под-земных газохранилищах. Дан обзор и анализ научно-технических работ в области ПХГ. Формулируются цели и задачи исследований, изложенных в диссертации.
Вторая глава содержит теорию и технику построения гистерезисных диаграмм, с помощью которых отображают процесс циклической эксплуатации ПХГ. Развита техника мониторинга параметров подземного газохранилища с использованием гистерезисных диаграмм. Предложена оценка объема буферного газа с помощью гистерезисных диаграмм. На примере Краснодарского ПХГ произведена оценка буферного газа.
Третья глава содержит теорию естественной убыли газа за счет растворения в воде. Систематизированы общие сведения о растворимости газов в воде. Предложен метод определения газосодержания пластовой воды, апробированный на результатах экспериментальных исследований пластовых вод Краснодарского ПХГ. С помощью соответствующих методик рассчитана растворимость природного газа в пластовых водах Краснодарского ПХГ. Разработана математическая модель процесса переноса газа в растворённом виде. Приведены примеры расчета естественной убыли газа в некоторых российских газохранилищах. Дается общая методика и правила расчета естественной убыли газа в ПХГ за счет его частичного растворения в воде.
В четвертой главе рассмотрено влияние параметров эксплуатации ПХГ на несущую способность скелета пористых пород слагающих пласт ПХГ. Дается анализ работ, посвященных причинам разрушения пористого коллектора. Выдвигается и обосновывается тезис о том, что одной из причин разрушения продуктивных коллекторов является уменьшение количества буфер-
9 ного газа в ПХГ. Приводятся гистерезисные диаграммы циклической эксплуатации ПХГ с одинаковыми объемами активного газа, но различными объемами буферного газа. Анализируются диаграммы Краснодарского ПХГ, в которых как полагает автор, имеются определенные потери или уходы буферного газа,
По результатам исследований опубликовано 8 научных работ. В соавторстве написано одно учебное пособие для вузов «Подземное хранение газа».
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:
55-й Юбилейной Межвузовской студенческой научной конференции «Нефть и газ -2001» (г. Москва, 17-20 апреля 2001г.);
1-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Нефтегазовые и химические технологии» (г. Самара, 23-24 октября 2001г.);
5-й Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (г. Москва, 23 - 26 сентября 2003 г.); «Молодежная наука - нефтегазовому комплексу» (г. Москва, 31 марта 2004г.);
Международной конференции «Фундаментальные проблемы разработки нефтегазовых месторождений, добычи и транспортировки углеводородного сырья» (Российская Академия наук, Институт проблем нефти и газа, г. Москва, 24 - 26 ноября 2004 г.) - 6-й научно-технической конференции-выставке «Актуальные про блемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, 26-27 января 2005г.).
Автор благодарит профессора М.В. Лурье за руководство работой и ценные указания.
Автор благодарит также доцента А.С. Дидковскую за помощь в работе и полезные обсуждения.
Автор благодарна коллективу кафедры «Проектирование и эксплуата- ция газонефтепроводов», прежде всего, его заведующему профессору В.М. Писаревскому, за благожелательную и творческую атмоссферу, в которой проходила ее работа все годы.
Технология подземного хранения газа в водоносных пластах и истощенных газовых залежах
Технология подземного хранения газа состоит в том, что в качестве «резервуаров» для- хранения газа используют поровое пространство пласта, находящегося на значительной глубине под поверхностью Земли. Летом, в период снижения спроса на газ, его излишки из газопровода закачивают в пласт. Осенью такое хранилище, как правило, простаивает. Зимой, с приходом холодов, когда спрос на газ и его потребление увеличиваются, газ из ПХГ частично извлекают и направляют в газовую сеть или возвращают в газопровод. Весной, после потепления, газохранилище некоторое время простаивает.
Таким образом, эксплуатация подземных газохранилищ имеет циклический характер. Это специфическое отличие от эксплуатации газовых и нефтяных месторождений. Каждый цикл состоит из четырёх периодов: нагнетания газа, нейтрального периода, когда газ не закачивается и не отбирается из хранилища, периода отбора газа и последующего нейтрального периода. [2, 11, 12, 38, 42, 44, 47, 55, 64, 65, 72, 73, 76, 77, 78, 86, 89, 90, 92, 102]
Необходимость в хранилищах газа большой вместимости диктуется тем, что потребление газа на бытовые и промышленные нужды происходит неравномерно. Оно испытывает как мелкомасштабные, суточные, колебания (днем газа требуется больше, а ночью - меньше), так и более крупные, сезонные - (зимой потребность в газе возрастает, летом снижается). Поскольку магистральные газопроводы, транспортирующие газ от мест его добычи к потребителям, работают с относительно постоянной производительностью, то в системах газоснабжения необходимы достаточно вместительные хранилища, которые служили бы для покрытия пиков и спадов потребления газа, а также для оперативного регулирования его подачи в распределительные сети. Газохранилища необходимы также для создания дол-госрочных (резервных) запасов газа.
Известно, что нефти и нефтепродукты хранят, как правило, в стальных резервуарах, емкость которых достигает 20, 50 или даже 100 тыс. мэ, а вместимость резервуарных парков, состоящих из нескольких десятков таких резервуаров, может составлять 250-500 тыс. и более м3. Но даже такие огромные резервуарные парки совершенно недостаточны для хранения сколько-нибудь значительных объемов газа. Плотность природного газа, составляющая, как известно, при "нормальных" условиях - атмосферном давлении (0,1013 МПа), и температуре +20 С (293 К) - величину порядка 0,7 кг/м3, значительно меньше плотности нефти или нефтепродуктов, а объемы газа, подлежащего хранению, в десятки и сотни тысяч раз превышают объемы жидких топлив. Никакие искусственные резервуары не способны обеспечить хранение такого количества газа. Конечно, газ можно сжать, повысив его плотность и, следовательно, увеличив массу хранимого газа. Но хранение газа под высоким давлением в резервуарах представляло бы огромную опасность для людей и окружающей среды. Природный газ можно также сжижать, но транспортировка и хранение газа в сжиженном состоянии, требует чрезвычайно сложных технологий и значительных материальных и денежных затрат. Отсюда следует, что существует потребность в таких хранилищах, которые, с одной стороны, обладали бы значительной вместимостью, а с другой стороны, были бы относительно дешевы и безопасны для окружающего мира даже при достаточно высоком уровне давления.
Между тем, в природе существуют естественные образования, которые отвечают всем названным требованиям - большой вместительности, допустимости высоких давлений и достаточной степени безопасности. Речь идет о пластах, находящихся глубоко под землей, сложенных из пористых пород, ограниченных сверху и снизу непроницаемыми покрышками - кров-леи""и подошвой, образуемыми глинистыми или хорошо сцементированными прослойками. Поскольку такие пласты находятся на глубине 500- - 1000 м под поверхностью Земли, то повышение в них давления до 7,0 - 12,0-;-15,0 МПа и даже выше достаточно безопасно. Эти пласты могут принимать и сохранять газ в течение года и более, и отдавать его при режимах, предусмотренных технологическим проектом.
Во многих случаях поровое пространство пластов заполнено водой, од-нако воду можтю оттеснить закачиваемым газом на периферию водонапорной системы и таким образом освободить место для хранения газа. Как правило, водоносные пласты не изолированы друг от друга, а гидравлически связаны, являясь частями некоторой общей водонапорной системы. Поэтому при закачке газа в какой-либо пласт заполнявшая его вода имеет возможность перетекать в другие горизонты этой водонапорной системы. Иногда для облегчения вытеснения воды пробуривают разгрузочные скважины, по которым откачивают воду на поверхность или перекачивают в другие водоносные горизонты. Объем открытой водонапорной системы огромен и во много раз превышает объем газовой полости хранилища, поэтому вода, вытесняемая из активной зоны хранилища, практически не изменяет давления, существовавшего в системе на достаточном удалении от этой зоны.
Гистерезисные диаграммы циклической эксплуатации подземного газохранилища
Сначала остановимся на основных научных положениях, которые лежат в основе построения и использования (p/Z-V)- гистерезисных диаграмм. [27, 47, 48, 100,101]
Прежде всего, отметим, что газовая полость ПХГ, созданного в истощенной газовой залежи или в водоносном пласте, и окружающая эту полость вода, представляют собой единую гидравлическую систему, обе составляющие которой находятся в постоянном взаимодействии друг с другом. [47] При закачке газа давление в газовой полости увеличивается и воде приходится отфильтровываться в другую часть горизонта. При простое хранилища оттеснение воды продолжается, однако значительная часть энергии давления, аккумулированной в газовой полости, теряется за счет расширения последней; при этом степень такого расширения и потери давления зависят от формы и объема газовой полости, а также от фильтрационного сопротивления вытесняемой воды. Спустя некоторое время после начала отбора газа, происходит обратный процесс - водонапорная система сжимает газовую полость, причем вода частично возвращается на прежнее место. Сжатие газовой полости продолжается и в период последующего простоя хранилища. Новая закачка газа знаменует начало нового цикла и последовательное повторение всех стадий процесса.
Процесс циклической эксплуатации ПХГ удобно отображать на гистерезисных (p/Z—V) - диаграммах, представляющих собой зависимость объема V газа (или, что то же - массы М газа: М-р0 -V, где р0 - плотность газа при стандартных условиях р = 101325 Па, Т = 293 К), находящихся в ПХГ к текущему моменту времени, от приведенного давления p/Z газа в газовой полости ПХГ. На гистерезисных (p/Z-V) - диаграммах можно проследить все стадии циклического процесса эксплуатации ПХГ, рис. 2.1 [27, 47, 49, 53, 65]. (p/Z)A. В процессе закачки газа объем газа в газовой полости ПХГ возрастает, а приведенное давление увеличивается до значения (p/Z)B - движение изображающей точки происходит вдоль дуги АВ. Объем газа в ПХГ достигает значения V , причем объем активного (коммерческого) газа равен V - Уш, а объем буферного газа У6уф = V .
Кратковременный простой ПХГ в межсезонном промежутке изображается отрезком ВС горизонтальной прямой. Объем газа в ПХГ не изменяется, а приведенное давление уменьшается от значения (p/Z)B до значения (p/Z)c; поскольку давление в хранилище больше, чем в окружающей водоносной системе, газовая полость хранилища расширяется, а давление в ней падает.
Отбор газа из ПХГ представляется дугой CD: объем газа в ПХГ уменьшается от значения V - V до значения V , а приведенное давление падает от (p/Z)c до (p/Z)D в конце периода отбора. Происходит переход из точки С в точку D.
Второй простой ПХГ представляется отрезком DA горизонтальной прямой: объем газа в ПХГ остается прежним, но приведенное давление увеличивается от (p/Z)D до (p/Z)A. Поскольку давление в окружающей водоносной системе больше, чем давление в газовой полости ПХГ, газовая полость сжимается, что ведет к увеличению давления.
Для построения гистерезисных (p/Z-V)- диаграмм работы ПХГ необходимы следующие данные: компонентный состав природного газа, на основе которого рассчитываются параметры газовой смеси: ц-молярный вес смеси; R = 8314/ц — газовая постоянная; Р Т - критические давление и температура смеси, соответственно; абсолютная температура Т газа в газовой полости ПХГ; среднее давление р в газовой полости ПХГ для каждого момента времени. Это давление вычисляется путем осреднения давлений, измеренных (вычисленных) на забоях скважин по площади ПХГ внутри контура газоносности:
Опытные методы определения содержания газа в пластовой воде
Как правило, при разработке и эксплуатации подземных хранилищ газа выполняются гидрогеологические исследования. [14, 30, 32, 34, 35, 39, 43] Цель этих исследований состоит в получении достоверной информации о пластовых давлениях, температурах и химическом составе пластовой воды, в частности, о содержании растворённого в ней газа.
Комплекс гидрогеологических исследований позволяет наблюдать за изменениями гидродинамического, геохимического, газогидрохимического полей резервуарной части ПХГ в циклах закачек и отборов газа, устанавливать зависимости полученных параметров от объёмов закачанного газа.
Особое место в комплексе гидрогеологических исследований при созданий ПХГ в водоносных пластах и истощённых залежах занимает контроль положения границы газоводяного контакта (ГВК). Контроль положения ГВК осуществляется также в периоды закачки и отбора газа. Это позволяет кон-тролировать процесс заполнения хранилища газом и процесс внедрения пластовой воды в искусственно созданную залежь при отборах газа, а, кроме того, контролировать утечки возможного прорыва газа через замок структуры. При этом эффект сокращения возможных утечек достигается корректировкой технологической схемы закачек газа. На этапе проведения отбора газа важно установить закономерности распределения особо опасных направлений обводнения.
Одной из важных задач при создании и эксплуатации ПХГ является контроль газопроявлений. [62, 67] Перетоки газа в вертикальном разрезе обычно происходят по трещинам цементного кольца за колонной труб или каналам в местах прилегания цемента к породам или телу труб, образуя так называемые «грифоны». Продвигаясь по микротрещинам, газ начинает заполнять вышележащие пласты-коллекторы. Контроль возможных перетоков осуществляется газогидрохимическим методом путём отбора глубинных проб воды и растворённого газа всех водовмещающих пород разреза.
Получение достоверных данных о газовой составляющей пластовых вод во многом зависит от следующих факторов; степени подготовленности скважин к проведению исследований; техники и технологии проведения гидрогеологических исследований: химического анализа газа, растворенного в воде, и интерпретации результатов исследований. Подготовка скважин к гидрогеологическим исследованиям является важнейшим условием получения достоверного фактического материала, обеспечивающего успех глубинных исследований. Прежде всего, имеется в виду полная замена технических вод призабойной зоны и колонны пластовыми. Это достигается откачкой из скважины воды до постоянного значения её плотности и содержания в ней хлора. [34, 35, 43]
В процессе гидрогеологических исследований важное значение имеет определение насыщенности пластовой воды газом. По изменению газовой составляющей пластовых вод можно проследить за положением контура ГВК, выявить возможные прорывы газа за замок структуры.
Объём газа, растворённого в единице объёма воды, измеренный при стандартных условиях, т.е. при давлении 760 мм рт. ст. (101325 Па) и температуре 20 С, называют газонасыщенностью воды. Газонасыщенность представляет собой сумму объёмов всех растворённых газов и выражается либо в м3/ м3, либо в см3/л, см3/см3 или мл/мл.
Основным параметром, характеризующим количество растворённых газов, является их давление насыщения (упругость). Давлением насыщения называется то давление, при котором весь газ находится в растворённом состоянии. Если вода находится под давлением большим давления насыщения, то она способна растворить добавочное количество газа. Если же давление, под которым находится вода, ниже давления насыщения, то часть газа выделится из воды. [39]
Характеристики горных пород слагающих пласт ПХГ
Рассмотрим теперь математическую модель процесса уноса газа в растворенном в воде виде из газовой полости ПХГ.
Отметим сначала, что 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 газовой 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 закачке газа, в результате перемешивания пластовой воды, насыщенной газом, с пластовой водой, не содержащей газ или содержащей его в меньшем количестве, средняя насыщенность пластовой воды газом уменьшается. Поэтому при отборе газа, пластовая вода возвращается в газовую полость с меньшим содержанием газа, чем при закачке.
Это означает, что за цикл эксплуатации ПХГ некоторое количество газа уходит из газовой полости ПХГ в окружающую водонапорную систему. 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 ГГХГ и проникновению его во все более удаленные области водонапорной системы.
Сформулируем теперь математическую модель уноса газа из газовой полости ГГХГ в окружающую ее водонапорную систему.
Отнесем толщу водоносной части пласта к системе отсчета, характеризуемой обобщенной координатой v (объемом порового пространства пласта, в котором движется вода с растворенным в ней газом). Концентрацию или содержание газа в воде обозначим 9(v,t).
При закачке газа через любое сечение пласта проходит объем воды AVn с содержанием газа $,, поэтому объем газа, переносимого в растворенном виде, равен &, -AVn. В области, куда попадает эта вода, она смешивается с водой, содержащий газ в концентрации Э2 ( Э2 9,).
Если принять, что смешение объемов пластовой воды, содержащей газ в концентрации S,, с водой, содержащей газ в концентрации &2, происходит в отношении a:(і-а), где а- заранее неизвестное и подлежащее определению число (0 а 1). Тогда после смешения вод концентрация газа в воде стала равной а - $, + (і - а)- -&2.
Замечание. Значение параметра а определяется процессами перемешивания двух жидкостей в пористой среде при вытеснении одной из них другой. Как правило, теоретические рассуждения не позволяют достаточно точно найти этот параметр, поэтому определим его из сопоставления результатов расчета с опытными данными.
При отборе газа через рассматриваемое сечение пласта также проходит объем воды, равный AVn, однако ее содержание газа равно сс-3,+(l-a)-92 =a-(9, -Э2)+Э2 т.е. меньше, чем при закачке. Следовательно, объем [а-(Э,-92)+92]-ДУп газа, переносимого в растворенном виде в обратном направлении, меньше объема газа, переносимого в прямом направлении. За полный цикл (1 год) их разность составляет величину: AQ = 91-AVn-[a.(91-92)+92].AVn=r(S1-S2) Vn (3.18) где: у = 1-сс. Иными словами, количество газа, переносимого через любое сечение водоносной области за один цикл работы ПХГ, пропорционально разности концентраций растворенного газа в двух сечениях, отстоящих друг от друга на величину AVn, а также объему вытесняемой воды.
Перейдем теперь к распределенной (или так называемой "континуальной") модели процесса, описывающей проникновение газа в растворенном виде в водоносную область, окружающую ПХГ. Для этого введем непрерывно дифференцируемую функцию 9(v,t), дающую концентрацию газа в пластовой воде в произвольном сечении v в момент времени t.
