Wydział Górniczy Wrocław, dnia 10.05.2003r.

Politechniki Wrocławskiej

Piotr Pelc nr albumu 105555

Przemysław Machał nr albumu 99386

SPECJALNE TECHNOLOGIE GÓRNICZE

SEMINARIUM

TEMAT: Podziemne magazyny gazu:

• potrzeby i możliwości budowy podziemnych magazynów gazu;

• wykorzystanie złóż gazu jako magazynów gazu, wykorzystanie innych wyrobisk podziemnych jako magazynów gazu;

wykonali: Piotr Pelc

Przemysław Machał

Podziemne magazyny gazu:

1. potrzeby i możliwości budowy podziemnych magazynów gazu;

2. wykorzystanie złóż gazu jako magazynów gazu, wykorzystanie innych wyrobisk górniczych jako magazynów gazu;

Ad. 1.

Dobowe nierównomierności zapotrzebowania na gaz ziemny kompensuje się bez trudu gazem znajdującym się w systemach przesyłowych czyli gazociągach. Natomiast w związku z występowaniem nierównomierności sezonowych (okresy wiosna - lato, jesień - zima) konieczne jest dysponowanie PMG. Zwiększone zapotrzebowanie w okresie dużego spadku temperatury otoczenia może być wtedy pokryte poborem gazu z PMG, oczywiście po uprzednim jego zatłoczeniu do magazynu w okresie zmniejszonego zużycia. Na tym właśnie polega zasada tzw. pracy rewersyjnej PMG, którą tłumaczy rys. 6.10.

PMG ziemnego są ponadto w wielu krajach eksploatowane jako rezerwa strategiczna zabezpieczająca przed ewentualną niepewnością dostaw gazu z importu. Oczywiście rezerwa ta musi być większa, gdy import jest realizowany z jednego tylko kierunku.

PMG mogą wreszcie służyć do pokrywania krótkotrwałych bardzo dużych deficytów gazu (możliwych np. w razie awarii systemu gazociągów przemysłowych). Potrzebna jest wtedy odpowiednia dyspozycyjność PMG, tj. możliwość łatwego uzyskania bardzo dużego natężenia odbioru gazu z magazynu, którego pojemność czynna jest niewielka. Warunki takie spełniają PMG w komorach (kawernach) wyługowanych w wysadach lub pokładach soli kamiennej. Magazyny tego rodzaju można dostosować i do pracy rewersyjnej w krótkich cyklach. Także w tym wariancie pracy KPMG w złożach soli wykazują zaletę polegającą na możliwości uzyskania z poszczególnych otworów natężeń poboru gazu po około 3mln [m³/dobę]. Jest to kilkakrotnie więcej od możliwych natężeń do uzyskania z odwiertów eksploatacyjnych PMG w złożach sczerpanych lub w warstwach wodonośnych. Przygotowanie PMG w kawernach solnych kosztuje jednak najwięcej (300 - 500 USD/1000m³ pojemności czynnej). Znacznie mniej kosztowne jest utworzenie ich w wyeksploatowanych (tzw. sczerpanych) złożach gazu ziemnego - do 100USD/1000m³. Oczywiście w przypadku obu typów PMG konkretna wartość tego wskaźnika kosztów budowy zależy w dużej mierze od warunków geologicznych oraz od innych uwarunkowań lokalnych. Np. dla budowy KPMG Mogilno (tabl.6.10) wartość tę szacuje się na ok. 290 USD/1000m³, a więc na 75-85% wartości z praktyki światowej (z zachowaniem porównywalności, tj. przy podobnych natężeniach poboru gazu z magazynu)

Wybrane dane charakteryzujące PMG w niektórych krajach europejskich zawarto w tabl.6.4.

Uzupełniająco można podać, że ogólna pojemność czynna PMG w krajach UE wynosiła w roku 1995 ok.35 mld m³,co stanowiło ok.13% rocznego zapotrzebowania krajów UE na gaz ziemny. Jest to tylko niewiele więcej od pojemności zespołu PMG na Ukrainie (tabl.6.5) pracującego na rzecz tranzytowego systemu dostaw gazu ziemnego z zach. Syberii do Europy. Pojedyncze PMG wymienione w tej tabl. mają większą pojemność od jednego z największych PMG w Europie Zach. Pracującego w Rehden (Niemcy, ok.50 km na południe od Bremy). Jest to PMG w złożu sczerpanym, pracujący również na rzecz gazociągu Tiumeńskiego rys. 22.

Jego pojemność robocza wynosiła roku 1994 około 1500mln m³ i wzrosła do 4200 mln m³ w roku 1997. W instalacji naziemnej PMG w Rehden ma docelowo pracować 6 wielostopniowych sprężarek napędzanych turbinami gazowymi (ich łączna moc 70MW).

Podziemne magazynowanie gazu ziemnego rozpowszechnia się od lat 50 - tych w bardzo szybkim tempie, pomimo dużych kosztów oraz wielu problemów prawnych związanych z zatwierdzeniem realizacji tego typu przedsięwzięć. PMG są szczególnie liczne w USA i Kanadzie, gdzie jest ich obecnie ponad 420.

Liczne podziemne magazyny gazu ziemnego w złożach sczerpanych i warstwach wodonośnych pracują również w Kanadzie, we Francji oraz w rejonach wielkich miast Europejskich np. Hamburgu, Moskwie, Petersburgu i Kijowie. Z Francuskich podziemnych magazynów najważniejsze są te, które regulują dostawy gazu ziemnego dla centralnej Francji i Paryża. Dostawy ze złóż Lacq są np. powiązane za eksploatacją zbiorników Beynes oraz w Chemery niedaleko Paryża.

Konieczność i opłacalność preferowania podziemnego magazynowania gazu ziemnego jest powszechnie uznawana. Pogłębiające się wahania sezonowe w wielkości zużycia gazu wymagałoby bowiem dużej liczby naziemnych zbiorników z blachy stalowej. Byłoby to nie tylko bardzo kosztowne, ale również ogromnie trudne do zrealizowania ze względu na strefy bezpieczeństwa. Dlatego też dla pokrywania dużych sezonowych szczytów zapotrzebowania praktycznie jedynym rozwiązaniem było do niedawna magazynowanie podziemne.

Stalowe zbiorniki naziemne bywają stosowane głównie do pokrywania dobowych nierównomierności zapotrzebowania. W przypadku zbiorników niskociśnieniowych (do 300mm H₂O ponad ciśnienie atmosferyczne) są to zbiorniki z zamknięciem wodnym lub zwykłe zbiorniki cylindryczne. Zasilające sieć średniociśnieniową zbiorniki średniociśnieniowe (napełniane z wysokociśnieniowych gazociągów magistralnych przez reduktory) są natomiast zbiornikami kulistymi o średnicach do 20m.

Każdy PMG (w złożu sczerpanym, w warstwie wodonośnej, w kawernie solnej) charakteryzują następujące parametry techniczne:

• całkowita pojemność;

• pojemność robocza;

• wielkość poduszki gazowej (buforu gazowego);

• maksymalne i minimalne ciśnienie robocze (maksymalne do 130% ciśnienia hydrostatycznego);

• natężenie poboru gazu (tzw. moc dyspozycyjna i chwilowa);

Ad.2.

Najdogodniej jest wykorzystywać naturalne zbiorniki podziemne np. wyeksploatowane złoża lub warstwy skalne o dużej porowatości (wodonośne), do których zalicza się kolektory piaszczyste i piaskowce. Przygotowanie PMG kosztuje wtedy najtaniej (do 100USD/1000m³ w złożach sczerpanych i około 300USD/1000m³ w warstwach wodonośnych).

Zbiorniki podziemne w warstwach wodonośnych. Możliwość utworzenia PMG ziemnego w warstwie wodonośnej (nazywanego też strukturą zawodnioną)istnieje tylko wówczas, gdy są spełnione dwa podstawowe warunki geologiczne:

• warstwa, do której będzie wtłaczać się gaz, jest zbudowana ze skał o dużej porowatości(piasku, piaskowca);

• nad warstwą porowatą znajduje się nieprzepuszczalny nadkład (pokrywa) zapobiegający ucieczkom magazynowanego gazu;

Gaz wtłaczany do warstwy porowatej wypycha z niej wodę, która wraca w miarę późniejszego pobierania gazu. Granica zetknięcia gazu z wodą przesuwa się więc, a ruchoma woda zamyka i uszczelnia magazyn (także od spągu, czyli dolnej płaszczyzny ograniczającej warstwę magazynującą).

Objętość gazu, jaką można maksymalnie zmagazynować, zależy od objętości i porowatości warstwy oraz od temperatury i średniego ciśnienia, pod którym gaz ma być magazynowany (ciśnienie zmienia się podczas wtłaczania czy odbioru gazu).

Nieodłączną część PMG ziemnego stanowią jego urządzenia naziemne: stacja sprężarek, instalacja osuszenia i oczyszczania gazu z zanieczyszczeń mechanicznych, punkt rozdzielczy i odwierty eksploatacyjne (rys.6.11.)

Zasadę pracy PMG w skale porowatej przedst. na rys. 6.12. Przykrycie od góry stanowi nieprzepuszczalny nadkład. Na rysunku przedstawiono najbardziej korzystne warunki geologiczne, gdy pod nadkładem znajduje się kolektor porowaty będący antykliną przechodzącą w poziomie warstwy o miąższości m. Wysokość kolektora w nie może być całkowicie wykorzystana, tzn. nie może wypierać wody do poziomu, przy którym grozi ucieczka gazu bokiem, tj. pod poziomym nadkładem (zamknięcie wodne go nie zatrzymuje). Odwierty zasilające są zarazem otworami wydobywczymi do odbioru gazu. Ponadto są stosowane tzw. odwierty odciążające (skrajne OK. na rys. 6.12), którymi usuwa się wodę w celu zmniejszenia przeciwciśnienia w okresie wtłaczania gazu przez OZW. Płytkie otwory kontrolne służą natomiast do sprawdzania, czy gaz nie przedostaje się przez nadkład.

Odbiór gazu z magazynu jest realizowany przez te same odwierty i tenże punkt rozdzielczy. Aby piasek unoszony przez gaz nie utrudniał jego odbioru , stosuje się specjalne filtry żwirowe.

PMG w sczerpanych złożach gazu. Jest to najbardziej rozpowszechniony rodzaj PMG. Utworzenie tego typu magazynu wymaga bowiem stosunkowo najmniejszych kosztów. Trzeba tylko optymalnie wybrać czas przerwania wydobycia ze złoża, które ma być następnie dostosowane do pełnienia funkcji PMG. Wiąże się to z obecnością wód złożowych. Podczas eksploatacji największego w Polsce PMG Husów obserwowano np. intensywny ruch wód złożowych (ich wycofywanie się cyklu zatłaczania i ponowne wkraczanie w cyklu odbioru gazu). Pracę magazynu w takich warunkach hydrologicznych nazywa się pracą w warunkach ekspansyjno - wodno naporowych. Oczywiście warunki te wpływają na zmiany objętości przestrzeni porów (tzw. objętości porowej) w złożu lub w danym jego horyzoncie. Podczas kolejnych cykli zatłaczania pojemność porowa PMG (tym samym pojemność czynna) zwiększa się aż do osiągnięcia wartości maksymalnych przy określonym ciśnieniu roboczym. To właśnie tłumaczy długotrwałość (3-5 lat) dochodzenia nowoutworzonych PMG do zakładanych parametrów eksploatacyjnych. W tym długim okresie formowania się magazynu następuje wypieranie wód złożowych, które przeniknęły do złoża po zakończeniu jego eksploatacji, a niekiedy także odbudowywanie tzw. pojemności buforowej. Szansę skrócenia tego okresu daje wspomniane odpowiednio wczesne podjęcie decyzji zakończenia eksploatowania złoża gazu ziemnego, jeśli w tym sczerpanym złożu ma być następnie utworzony PMG

W tablicy 6.6 podano pojemności czterech polskich PMG w złożach sczerpanych oraz możliwe do osiągnięcia maksymalne natężenie odbioru gazu. Potrzebne w naszym kraju tempo zwiększania pojemności PMG obrazują dane w tabl. 6.7. Uzupełniająco podano w tabl. 6.8 informacje o możliwościach utworzenia nowych PMG w złożach sczerpanych.

W przypadku potencjalnych PMG w sczerpanych złożach gazu zaazotowanego będzie występować szczególne zagadnienie techniczne mieszania się gazu wysokometanowego kierowanego do magazynowania z resztą gazu zaazotowanego zawartą w złożu. Problem ten uważa się za możliwy do rozwiązania

PMG w kopalniach węgla. PMG ziemnego są również (jednak bardzo rzadko) uruchamiane w wyeksploatowanych wyrobiskach górniczych i tzw. pustkach skalnych. Informacje o jednym z takich magazynów pracujących w Belgii podano w tabl.6.9. W przypadku tego rodzaju PMG zasadnicze znaczenie ma szczelność i organizacja jej stałej kontroli.

Magazyny podziemne w kawernach soli.

Wyługowanie kawern (komór) magazynowych na gaz ziemny w złożu soli kamiennej nie zawsze jest możliwe. Złoże musi bowiem spełniać określone warunki geologiczne, w tym przede wszystkim musi mieć odpowiednią formę, wielkość i głębokość zalegania oraz zawierać sól o odpowiednim składzie (z dopuszczalną pod względem rodzaju i ilości zawartości zanieczyszczeń). Istotnym uwarunkowaniem jest również usytuowanie innych warstw w złożu i otaczającym górotworze.

Oprócz uwarunkowań geologicznych liczą się również uwarunkowania, które można nazwać technologicznymi i ekonomicznymi. Bywa bowiem, że uruchomienie w określonym złożu soli magazynu gazu ziemnego nie jest uzasadnione, jeżeli złoże to znajduje się zbyt daleko od trasy gazociągu magistralnego lub jeśli występują nadmierne koszty związane z zapewnieniem dla instalacji naziemnej magazynu zasilania energią elektryczną oraz wodą do celów technologicznych.

Po stwierdzeniu przydatności danego złoża soli do utworzenia magazynu podziemnego prowadzi się analizę optymalizacyjną i dokonuje wyboru kształtu, wielkości i liczby kawern, jakie mają być wyługowane. Wybór geometrii i roboczych parametrów kawern powinien być dokonywany na podstawie:

• rozpoznania geologicznej budowy złoża oraz warstw sąsiadujących w obszarze planowanego usytuowania kawerny;

• określenia geomechanicznych właściwości górotworu;

• analizy i oceny składu i fizycznych właściwości soli;

liczbę i wielkość kawern (komór) zbiornikowych ustala się przede wszystkim w zależności od formy i wielkości złoża soli. Za dogodne uważa się złoża pokładowe oraz tylko takie struktury wysadowe, które w pionowym przekroju mają kształt słupów lub pni. Jednocześnie przekrój pionowy wysadów powinien być zbliżony do koła, a przebieg ich osi pionowej możliwie prosty.

Przy dogodnych warunkach geologicznych, pełnej swobodzie dysponowania terenem na powierzchni ziemi i zastosowaniu odległości między odwiertami równej 250m. Można w praktyce na obszarze 1km² powierzchni złoża soli utworzyć 8 kawern, każda o objętości geometrycznej do 0,5mln m³. Głębokość usytuowania kawern jest przy tym parametrem ważnym z punktu widzenia mechaniki górotworu. Zależy od niej stateczność i szczelność kawern.

W tym kontekście można ogólnie stwierdzić, że wybór głębokości usytuowania kawerny jest typowym problemem optymalizacyjnym. Z jednej strony - jeśli głębokość ta jest duża, to jest możliwe pożądane zastosowanie wyższego ciśnienia roboczego, z drugiej zbyt głębokie usytuowanie może stać się przyczyną zmniejszania objętości komory (tzw. efekt konwergenacji) jako konsekwencji niekorzystnego zjawiska „płynięcia” soli. Wyługowanie kawern magazynowych w złożu soli jest szczególną wiedzą techniczną. Warto wspomnieć, że w razie usytuowania kawern na dużej głębokości istotnie rosną koszty wiercenia otworów eksploatacyjnych. Ponadto należy zawsze zostawić pod kawerną półkę bezpieczeństwa o odpowiedniej miąższości, która ze względów geomechanicznych i technologicznych nie powinna być mniejsza od 200m.

Utworzenie w złożu soli komory magazynowej o pożądanym usytuowaniu, kształcie i objętości (kontrola echosondą) jest bardzo trudnym zadaniem technicznym. Ługowania dokonuje się wodą, co powoduje problem zagospodarowania solanki. Bywa, że po jej dosyceniu do odpowiedniego stężenia można ją skierować rurociągiem do zakładów chemicznych jako surowiec elektrolitycznej produkcji chloru lub do produkcji sody kalcynowanej, jak przy budowie KPMG Mogilno, podczas której solankę z ługowania komór tłoczy się rurociągiem do Janikowskich Zakładów Sodowych koło Inowrocławia.

W światowym przemyśle gazowym działa wiele podziemnych magazynów wysokometanowych gazu ziemnego (lub gazu płynnego) w kawernach wyługowanych w złożach soli. Duża ich liczba jest eksploatowana w Stanach Zjednoczonych i we Francji.

Technologia eksploatacji PMG w złożu soli. Na rysunku 6.14 przedstawiono schematycznie zasadę pracy instalacji naziemnej PMG w złożu. Jeśli ciśnienie w sieci gazociągów jest wyższe niż w kawernie, gaz wprowadza się do magazynu bezpośrednio. W znacznie częstszym przypadku wyższego ciśnienia w kawernie gaz wtłacza się za pomocą sprężarek, wyposażonych w zbiorniki antypulsacyjne i chłodnice, napędzanych zazwyczaj turbiną gazową.

Gaz po sprężeniu chłodzi się do 40 - 50⁰C co chroni przed szkodliwym działaniem zbyt wysokiej temperatury na warstwę cementową i orurowanie odwiertów (otworów eksploatacyjnych) magazynu. Schemat uzbrojenia takiego otworu przedstawia rysunek 6.13.

Ilość gazu wtłoczona do magazynu oraz do poszczególnych kawern jest mierzona w zbiorczej stacji pomiarowej oraz w stacji rozdziału gazu na kawerny. Mierzy się również oczywiście ilość gazu pobieranego z kawern magazynowych. Pomiary te umożliwiają bilansowanie przebiegu eksploatacji magazynu i poszczególnych kawern. Stosowana jest przy tym technika komputerowa. Komputer sterujący pracą magazynu rejestruje ponadto wynik pomiarów temperatury i ciśnienia w kawernach, na głowicach otworów eksploatacyjnych oraz w różnych punktach instalacji naziemnej, a także wynik analiz składu gazu wtłaczanego i odbieranego.

Z gazu odbieranego z kawern usuwa się ciecz i zanieczyszczenia stałe. Ciśnienie tego gazu redukuje się do ciśnienia panującego w gazociągu przesyłowym. Prowadzi się również jego osuszanie w typowej kolumnowe instalacji absorpcyjnej z zastosowaniem roztworu TEG jako absorbentu.

Podgrzewanie odbieranego gazu (rys.6.14) o ok. 25^oC jest potrzebne w celu skompensowania obniżenia temperatury, jakie nastąpi podczas redukcji. Podgrzewacze wykorzystuje się również w czasie wtłaczania gazu bez użycia sprężarek w celu zmniejszenia spadku temperatury w spągowej części kawerny i w jej otoczeniu. Eliminuje to szkodliwe naprężenie górotworu.

Technologia eksploatacji podziemnych magazynów gazu ziemnego w złożach soli jest złożona i specyficzna, gdyż praca instalacji naziemnej (w szczególności wybór natężenia zatłaczania i poboru gazu) musi być odpowiednio skorelowana z geofizycznymi warunkami pracy komór podziemnych. Nie chodzi przy tym tylko o bieżące zapewnienie sprawności eksploatacyjnej magazynu, ale o prowadzenie tej eksploatacji bezpiecznie, a jednocześnie w sposób, który nie zmniejszy czasokresu żywotności kawern podziemnych. Ponadto natężenie poboru dobiera się w taki sposób, aby podczas odbioru gazu nie mogły zaistnieć warunki umożliwiające osadzanie się hydratów. Chociaż więc przepustowość orurowania odwiertu jest duża, to jednak wykorzystuje się ją tylko częściowo - w takim stopniu, aby nie zagrażało wytworzenie się hydratów. Przy określonej głębokości usytuowania kawerny (ciśnieniu w niej panującym) należy więc tak dobierać czas poboru z określonym natężeniem, aby nie nastąpiło zbytnie ochłodzenie gazu. Oznacza to, że przy danym ciśnieniu w kawernie można odbierać gaz z maksymalnym natężeniem wyznaczonym przepustowością orurowania, ale z przerwami niezbędnym na ogrzanie się gazu od górotworu.

Rozpoczęła się budowa pierwszego w Polsce kawernowego podziemnego magazynu gazu ziemnego (KPMG) koło Mogilna w rejonie Inowrocławia. Wybrane dane charakteryzujące ten magazyn podano w tabl. 6.10.

1. Planowo magazyn ma mieć docelowo 5mld m³.

2. Powstał w latach 90- tych.

3. Eksploatacja była prowadzona od lat 70 - tych do początku lat 90 - tych.

4. Wiercenie otworów prowadziła PNiG Kraków.

5. Badania geofizyczne prowadziła „Geofizyka” Toruń.

6. Gaz jest zatłaczany latem, a zimą odbierany. Zatłaczanie jest prowadzone przy pomocy specjalnych zestawów: silnik - sprężarka”

Silniki marki WALKESCHA spalinowe na gaz w układzie cylindrów w kształcie litery V, posiada on 12 cylindrów i mocy 2000KW

Sprężarka ARIEL - angielska do każdego z silników podłączone są cztery cylindry sprężarki które zatłaczają gaz pod ciśnieniem 88atm. Ciśnienie gazu w złożu wynosi około 70atm.

7. Każdy z silników podlega ścisłej kontroli. W całym zakładzie jest mnóstwo czujników między innymi temperatury i stężenia gazu.

8. Jak wszystkim wiadomo silniki wydzielają ogromną liczbę spalin w szczególności takie o pojemności skokowej 220l. Zanieczyszczenia pochodzą jednak także z pomp w które są smarowane także olejem (każda po 160l). Olej ten przedostaje się także do gazu w magazynie stąd potrzeba jego oczyszczania aby sam magazyn się nie zanieczyszczał.

9. Gaz jest oczyszczany przez filtr wodny skąd jest odczerpywane 80 litrów na 5 dni pracy dwóch silników.

10. Silnik ma 1000 litrów oleju w zbiorniku. Z czego silnik zużywa około 250litrów.

11. Gaz ziemny jest dostarczany do PMG z KRIO Odolanów.

12. Wydajność jednego zestawu wynosi 90tys. m³h.

13. Przez cały czas pracują dwa zestawy silniki + pompa z wydajnością średnio około 120tys. m³/h.

14. W trzecim silniku olej jest podgrzewany do temp. 40^oC która umożliwia rozruch silnika. Przy tej temp. Silnik pracuje do momentu kiedy osiągnie temp. 60^oC przy której może nastąpić załączenie sprężarki.

---