Газ многих месторождений Восточной Сибири (Чаяндинское, Ковыктинское, Собинское, Чиканское и др.) имеет сложный компонентный состав с высоким содержанием гелия. Чтобы реализовать преимущество уникальной сырьевой базы, необходимо на практике реализовать решения по промышленному внедрению технологий извлечения гелия, его хранения и транспортировки. Одним из направлений решения указанных проблем является создание временных подземных хранилищ гелиевого концентрата (ВПХГК) в пористой среде в непосредственной близости от газохимических производств. Это позволит обеспечить гибкость поставок и снизить потери гелия.
В соответствии с восточной газовой программой ПАО «Газпром» и энергетической стратегией России на Востоке формируются новые крупные центры газодобычи и единая система транспортировки газа, которая на долгосрочную перспективу позволит организовать новый канал экспорта российского газа в страны Азиатско-Тихоокеанского региона. На данный момент времени сформированы несколько региональных центров газодобычи в соответствии с расположением крупных месторождений [1]:
· Якутский на базе Чаяндинского месторождения с перспективой освоения соседних месторождений – Соболох-Неджелинское, Верхневилючанское, Тас-Юряхское и Среднетюнгское;
· Иркутский на базе Ковыктинского месторождения с освоением Чиканского месторождения и месторождений севера Иркутской области;
· Красноярский на базе Собинско-Пайгинского и Юрубчено-Тохомского месторождений с перспективой освоения Оморинского, Куюмбинского, Агалеевского и других месторождений. (Данные месторождения не относятся к Газпрому.)
Газ большинства из этих месторождений имеет сложный компонентный состав, но главная их отличительная особенность — это высокое содержание гелия [2].
Суммарные запасы российского гелия на основных перспективных гелиеносных месторождениях оцениваются на уровне 14,5 млрд м3. Из них запасы гелия по категориям А+В+С1 составили около 7,6 млрд м3, а по категории С2 – 6,9 млрд м3.
К крупнейшим гелиеносным месторождениям России по категориям А+В+С1, относятся:
· Ковыктинское месторождение – объем разведанных запасов гелия 3,9 млрд м3 (Иркутская область, содержание гелия – 0,26–0,28 %);
· Чаяндинское месторождение – 1,85 млрд м3 (Республика Саха, содержание гелия – 0,43–0,65 %);
· Собинское месторождение – 0,8 млрд м3 (Эвенкийский АО, содержание гелия – 0,50–0,70 %);
· Среднеботуобинское месторождение – 0,6 млрд м3 (Республика Саха, содержание гелия – 0,2–0,67 %);
· Тас-Юряхское месторождение – 0,4 млрд. м3 (Республика Саха, содержание гелия – 0,38%).
В таблице 1 представлены характеристики наиболее перспективных гелийсодержащих месторождений.
В соответствии с классификацией эти месторождения относятся к богатым и весьма богатым гелийсодержащим газам.
Данные месторождения является ключевыми элементами в формировании ресурсной базы для магистрального газопровода «Сила Сибири» и попадают под контракт поставок природного газа в Китай.
Для переработки и выделения ценных компонентов из природного газа перед поставкой в Китай в октябре 2015 года началось строительство Амурского ГПЗ.
Поставщиком основного технологического оборудования для криогенного разделения газа с получением гелия и других компонентов для нефтехимии является немецкая компания Linde AG. Проектная мощность по производству гелия составит около 60 млн м3/год или 10 тыс. тонн/год, степень извлечения – 99,2 %.
Основываясь на предположениях специалистов ООО «Газпром ВНИИГАЗ», максимальный годовой приток гелиевого концентрата приходится на 2025 год. В этом году максимум составляет 195,7 млн м3/год, среднее значение 134,1 млн м3/год, а минимум 59,6 млн м3/год. Таким образом при обращении с гелием необходимо руководствоваться принципом рационального распределения и накопления добытых запасов гелия Восточной Сибири и Дальнего Востока. Спрос на гелий на внутреннем рынке достаточно низкий, а при реализация крупных объемов гелия на мировом рынке могут возникнуть проблемы с периодичностью и объемами закупок российского гелия. В связи с этим вопрос по аккумулированию гелия стоит наиболее остро.
Одним из направлений решения данной проблемы является создание подземных хранилищ гелиевого концентрата (ПХГК) в пористой среде в непосредственной близости от газохимических производств. Это позволит обеспечить гибкость поставок и снизить потери гелия.
В настоящее время технические и технологические аспекты создания ПХГК изучены недостаточно.
Анализируя отечественный и зарубежный опыт подземного хранения гелия и гелиевого концентрата в пористых средах, было выявлено что для хранения гелиевого концентрата хорошо подходят более мелкие залежи месторождений, которых всегда больше, чем крупных, и поэтому имеется возможность выбрать объект, расположенный ближе к ГХК, освободив место для гелиевого концентрата, либо путем разработки месторождения, либо путем перекачки необходимого объема газа в залежь крупного месторождения [3]..
При выборе объектов для хранения гелиевого концентрата, необходимо соблюдать требования, предъявляемые при строительстве подземных хранилищ газа в пористых средах, но существуют и специфические требования. Геологическая и техническая группа требований, предъявляемых к объектам хранения гелия, определяется в первую очередь тем, что гелий является газом с высокой проникающей способностью [4]..
Важным фактором для моделирования процессов диффузии, являются характеристики породы коллектора и покрышки [4].. В упрощенном варианте хранилище будет состоять из двух разных фаз: первая – фаза-коллектор, вторая – фаза-покрышка. Весь процесс массопереноса можно разбить на три основных этапа: перенос гелия внутри фазы коллектора, переход через границу раздела двух фаз и последующий перенос в фазе покрышки. При этом необходимо учитывать ряд условий, при которых происходит перенос гелия, это – температура и высокое давление. Основными формами миграции гелия являются фильтрация и диффузия. Но вследствие особенностей гелия доля диффундирующих атомов сквозь породу значительно выше.
Атомы диффундирующего гелия при неоднородности концентрационных полей проходят сквозь структуры пород на атомно-молекулярном уровне. Диффузия гелия идет повсеместно в то же время фильтрация гелия носит более локальный характер и, как правило, происходит в смеси с другими веществами по капиллярам, трещинам, порам. Механизмы, по которым протекает диффузия, будут различаться в зависимости от свойств и характеристик фаз (пород).
Как правило, поры породы покрышки и породы коллектора всегда заполнены флюидом. В случае с коллектором на механизм диффузии это не сильно влияет, но для покрышки имеет большое значение, поскольку скорость диффузии в жидкости значительно выше скорости диффузии в твердом теле. При этом гелий будет диффундировать на всю толщину покрышки, а не будет останавливаться при каком-то значении насыщения.
Благоприятным фактором при создании хранилищ гелиевого концентрата является наличие вышезалегающего резервуара, содержащего природный газ. При создании хранилища в нижнем объекте, даже при утечках гелия из объекта хранения, он попадет в вышележащую газовую залежь и может быть впоследствии извлечен. Также довольно высокие требования предъявляются к герметичности скважин на хранилище, следовательно, необходимо стремиться к уменьшению числа скважин на месторождении. Таким образом, на основе проведенного анализа литературы были сформулированы критерии первичного отбора перспективных месторождений:
1) наиболее подходит для длительного хранения газовая залежь с высоким начальным содержанием гелия. Это критерий непроницаемости покрышки для гелия;
2) наличие вышезалегающего резервуара, содержащего природный газ;
3) в качестве объекта хранения подходят месторождения небольших размеров;
4) наличие небольшого количества скважин;
5) объекты для хранения гелиевого концентрата должны быть расположены в непосредственной близости от мест, где планируется строить газоперерабатывающие заводы.
Для оценки возможности и целесообразности создания подземных хранилищ гелиевого концентрата (ПХГК), требуется проводить математическое моделирование процессов создания, эксплуатации и контроля содержания гелия в пластовом газе геофизическими методами на базе существующих месторождений природного газа. Это позволит перейти к обоснованным проектным решениям, связанными с техническими и технологическими аспектами создания ПХГК.
Методы математического моделирования должны обеспечивать возможность оценки параметров, оказывающих влияние на эффективность эксплуатации подземного хранилища гелиевого концентрата (ПХГК), а именно:
· оценка герметичности покрышки по гелию;
· оценка возможных потерь гелия при эксплуатации хранилища;
· оценка влияния диффузии и дисперсии при закачке гелиевого концентрата;
· обоснование режимов закачки и отбора гелия из хранилищ;
· моделирование молекулярной диффузии, которая оказывает влияние на режим эксплуатации ПХГК и изменение состава газа в процессе хранения;
· обоснование методов контроля содержания и распространения гелия в хранилище.
Использование указанных методов математического моделирования позволит обосновать оптимальное размещение скважин и интервалов перфорации и оптимальные режимы эксплуатации скважин.
Необходимость построения уточненной геолого-технологической модели связана с принципиально другим подходом к моделированию подземного хранилища гелиевого концентрата (ПХГК), в отличие от газовых месторождений или подземных газохранилищ. Такое отличие прежде всего связано с необходимостью:
- исследования процессов смешения природного газа и гелия и процессов взаимодействия газов с водой;
- учета влияния изменения состава газа на удерживающие свойства покрышки.
Литература
1. Программа создания в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке единой системы добычи, транспортировки газа и газоснабжения с учетом возможного экспорта газа на рынки Китая и других стран Азиатско-Тихоокеанского региона, утверждённая приказом Минпромэнерго России от 03.09.2007 № 340.
2. Геология нефти и газа Сибирской платформы / под ред. А.Э. Конторовича, В.С. Суркова, А.А. Трофимук – М.: Недра, 1981.
3. Хан С.А., Игошин А.И., Казарян В.А., Скрябина А.С., Сохранский В.Б. Подземное хранение гелия. М.–Ижевск: Институт компьютерных исследований. 2015. – 272 с.
4. Семенов Е.О. Оценка экранирующей способности глинистых пород и критерии их герметичности при создании газохранилищ в водоносных пластах / Е.О. Семенов // Газовая промышленность. – 684/2012. – С. 19–23. – (Спецвыпуск «ПХГ»).
5. Конторович А.Э., Удут В.Н., Пак В.А., Довгань А.В. Прогноз развития гелиевой промышленности Восточной Сибири: региональные, общероссийские и глобальные аспекты // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2006. Т. 5. С. 67–75.
6. Поручение Заместителя Председателя Правительства РФ о разработке федеральной целевой программы по выделению и хранению гелия. Протокол совещания у Заместителя Председателя Правительства РФ И.И. Сечина от 31.08.2008 № ИС-И9-33пр.
