В настоящее время становится всё более актуальной оценка возможности использования существующей системы подземного хранения газа для обеспечения поставок водорода и водород-метановых смесей (ВМС). Подход использования инфраструктуры и мощностей системы ПХГ для хранения ВМС экономически оправдан за счет идеи накопления значительных промышленных объемов водорода в объектах, ранее предназначенных для подачи природного газа (метана), что снижает потребность в огромных вложениях в развитие инфраструктуры, предполагает использование компетенций персонала, сохранение технологий и объектов [1].
Опыт эксплуатации и научные исследования показали, что совместное хранение метана с водородом имеет ряд серьезных отличий, связанных с прогнозированием изменений напряженно-деформированного состояния резервуаров, гидрохимических и микробиологических условий в подземных хранилищах, а также свойств объектов инфраструктуры.
Водород является неотъемлемым компонентом природных органических соединений и является наиболее легким, подвижным и реакционно-способным газом, однако свойства многофазного хранения в пористых средах остаются неопределенными и неизученными. Газообразный водород обладает сильной способностью мигрировать в пористой среде и может вступать в реакцию с породообразующими минералами. В связи с различными геологическими условиями дополнительные исследования вмещающих пород ПХГ позволят расширить представления о потенциальном взаимодействии органических и неорганических компонентов и их влиянии на качество коллектора во всех технологических циклах в естественных хранилищах [2]. Закачка водорода способна вытеснить пластовые флюиды, что приведет к сложным многофазным перетокам. Окислительно-восстановительные реакции, вызванные водородом, могут изменить минеральную ассоциацию породы. Эффективность хранения водорода с глубиной увеличивается за счет повышения плотности водорода с ростом давления. Низкая плотность водорода по сравнению с пластовыми рассолами приводит к плавучести, что способствует формированию водородной шапки непосредственно под покрышкой. Вязкость водорода по сравнению с метаном и углекислым газом низкая. Водород также обладает относительно высокой теплопроводностью, которая увеличивается с ростом давления и температуры, так что в глубоких горизонтах хранения этот показатель для водорода почти в три раза выше, чем для метана и углекислого газа.
Как и у других газов, растворимость водорода в воде увеличивается с повышением давления и уменьшается с повышением температуры и увеличением солености. Особое значение имеют относительная проницаемость, капиллярное давление и остаточная водородонасыщенность. Определение остаточного насыщения водородом контролирует неизвлекаемую часть хранимого газа, влияя на экономическую эффективность. В свою очередь, капиллярные силы, управляющие остаточным улавливанием, также влияют на поглощение и дренирование породы и, следовательно, на относительную проницаемость. Следует отметить, что относительная проницаемость может изменяться во времени в результате многократных циклов отбора и закачки. В случае накопления водорода в осадочных толщах происходят изменения пористой структуры породы, что сказывается на емкости подземных газохранилищ. Помимо абиотических реакций проявляется в том числе микробиологическая составляющая.
Определение герметизирующих свойств покрывающей породы и призабойной зоны важно для выбора площадки и условий эксплуатации. В пористых коллекторах надлежащий контроль рабочего давления является жизненно важным параметром, позволяющим избежать попадания рассола водоносного горизонта в перфорированную область скважины. Поведение водорода, хранящегося в природных хранилищах, представляет собой многокритериальный процесс, требующий систематизации и ранжирования возможных рисков.
В связи с тем, что объекты газотранспортной системы относятся к категории опасных, аварии на таких промышленных объектах чреваты травмами и гибелью людей, разрушением жилых и производственных зданий, невыполнением договорных обязательств и во всех случаях причинением значительных материальный ущерб предприятиям. С учетом этого для обеспечения уровня допустимых рисков необходимо анализировать как значимость ущерба, так и вероятность наступления неблагоприятных событий. Показатели надежности труб и оборудования газотранспортной системы оцениваются в процессе разработки проекта сооружения и/или объекта газоснабжения применительно к конкретным условиям проектирования и эксплуатации [2,7].
Водород обладает способностью наводораживать конструкционные материалы, в результате чего механические свойства стали значительно снижаются. Пластовые воды, являясь сильными электролитами, интенсифицируют процесс гидрогенизации. Операции по хранению водорода вместе с метаном в подземных условиях следует прогнозировать с учетом понимания возможности техногенного изменения механических свойств и напряженно-деформированного состояния резервуара, имеющихся в хранилище гидрохимических и микробиологических условий, ограничения на многофазное движение флюидов в пористых средах.
Уже выявленными последствиями взаимодействия водорода, метана, пластовых вод и микробиологических популяций являются уменьшение объемов хранимого газа, появление и выпадение сернистых отложений на инженерных сооружениях и сетях, проявление сероводорода, коррозия оборудования и наличие водородного охрупчивания металлов.
Основные особенности и возможные риски при гибридном хранении газовых смесей показаны на рисунке 1. Конструкции, контактирующие с водородосодержащими средами в процессе эксплуатации, подвержены риску резкого снижения прочности и охрупчивания оборудования под высоким давлением. Принципиально наводороживание оборудования состоит из стадий адсорбции, абсорбции и диффузии водорода и становится возможной не только за счет коррозии, но и благодаря действию катодной защиты от коррозии, которая применяется практически для всех магистральных газопроводов в процессе эксплуатации. При своевременном обнаружении коррозионных поражений осуществляется выбор защитных мероприятий по защите оборудования от негативных процессов. Для снижения неблагоприятных последствий разрабатываются регламенты и нормативы, позволяющие продлить межремонтный период оборудования и обеспечить безопасность эксплуатации, в том числе:
· применение специальных коррозионно-стойких сталей для скважин, подземного и наземного оборудования, инфраструктуры газосборных сетей и трубопроводов;
· постоянное дозированное введение различных ингибиторов в зависимости от условий;
· нанесение защитных покрытий для подготовки оборудования.
С учетом этого к основным рискам при хранении ВМС относятся:
· диффузия и влагосодержание продукта, транспортируемого по трубопроводам;
· высокая активность и реакционная способность;
· рост микроорганизмов, потребляющих водород, возможность их гибели в результате бактериологического биоразложения и растворения;
· риск разгерметизации;
· изменение поля напряжений вмещающих пород;
· процесс охрупчивания инженерных металлических конструкций;
· углекислотно -сульфатная коррозия, проявляющаяся при попадании сернистых и карбонатных отложений на инженерные сооружения.
Вопрос использования существующей системы газа для ВМС требует контроля описанных рисков, в том числе за счет регулирования расхода компонентного состава газа. Система контроля возникающих рисков предполагает проведение ряда мероприятий по снижению негативных техногенных и механических последствий в рамках эксплуатации объектов. Эффективным вариантом учета специфики работы с водородом является организация оперативного расходного контроля качества газовых смесей, что обеспечивает безопасность технологического процесса за счет оперативного получения данных, что позволяет заблаговременно принимать технологические и управленческие решения [3,5].
Важным фактором быстрого разрушения скважинного оборудования является бактериальная коррозия. Для ликвидации пескопроявлений газовые скважины оборудованы противопесочными фильтрами. В процессе сульфатредукции данные фильтры уже в настоящее время подвержены активному разрушению (рисунок 2). С переходом на гибридное хранение газов прогнозируется резкая активизация микробиологических сообществ. Это приведет к увеличению мощности содержащейся биокультуры и активизации негативных процессов [6].
Коррозионная активность микроорганизмов связана с образованием биопленок на поверхности металла с определенным составом микробных клеток. В настоящее время специалистами ИПНГ РАН проводятся работы по определению состава и потенциальной функциональной активности микробных сообществ пластовых вод ПХГ в случае хранения ВМС. Подтвержденное высокопроизводительным секвенированием V3 региона гена 16S рРНК наличие в ряде проб пластовых вод высокого содержания сульфатредуцирующих бактерий дало основу дальнейших работ по оценке коррозионной активности среды [8]. На примере микробных популяций из ПХГ экспериментально подтверждено, что добавление молекулярного водорода к изолированным образцам пластовых вод стимулирует рост сульфатредуцирующих бактерий, что приводит к усилению биогенной коррозии металлического оборудования. Продукты жизнедеятельности микробного сообщества могут неблагоприятно воздействовать на газоносный пласт и оборудование ПХГ. В частности, сульфид представляет серьезную проблему для газовой индустрии вследствие своей токсичности, коррозионной активности, способности к образованию нерастворимых осадков сульфида железа, вызывает образование стабильных водонефтяных эмульсий.
Для борьбы с бактериальной коррозией в нефтяной и газовой промышленности используется несколько методов:
· применение бактерицидных ингибиторов;
· очистка окружающей среды кислородом;
· изменение рН водоема;
· нанесение защитных покрытий, устойчивых к микроорганизмам;
· катодная защита покрытий, устойчивых к микроорганизмам;
· удаление питательных веществ из окружающей среды.
С целью достоверной оценки возможности хранения ВМС в существующих ПХГ необходимо выполнение репрезентативного объема экспериментальных исследований по выявлению ведущих гидрохимических и микробиологических факторов развития углекислотной и сульфатной коррозии при совместном хранении водорода и метана в подземных условиях. Рекомендовано провести моделирование поведения микробиологических сообществ при подземном хранении водорода совместно с метаном (применительно к геолого-промысловым условиям одного из перспективных объектов хранения).
Статья подготовлена в рамках государственного задания на тему: «Научное обоснование влияния гидрохимических и микробиологических процессов на развитие коррозионных явлений при сонахождении водорода и метана в широком диапазоне концентраций в геологических объектах различного типа», (№ 122022800276-2).
