Jak zbudowane są podziemne magazyny gazu: odpowiednie sposoby magazynowania gazu ziemnego

Wydawałoby się, że wiedza o tym, jak zbudowane są podziemne magazyny gazu, nie ma praktycznego znaczenia dla przeciętnego użytkownika. Ale ludzkość jest zbyt zależna od „błękitnego” paliwa i tak bardzo chcielibyśmy mieć pewność, że nigdy nie będzie przerw w jego dostawach. Prawda?

A każdego rodaka może uspokoić informacja o podziemnych magazynach gazu (PMG) – dopóki są pełne, nie będzie problemów z dostawami gazu. Więcej szczegółów na temat budowy magazynów i specyfiki przechowywania znajdziesz w naszym artykule.

Budowa podziemnych magazynów gazu

Jeśli do przechowywania gazu na potrzeby domowe właściciele domów prywatnych używają gazogromadników, to w skali państwa chodzi o zupełnie inne opcje przechowywania. Oficjalnie podziemne magazyny gazu to zespoły obiektów inżynieryjno-technicznych, które służą do zatłaczania, magazynowania i odbioru „błękitnego” paliwa. Składają się z komponentów naziemnych i podziemnych.

Do naziemnych należą:

• gazowy punkt rozdzielczy, który służy do rozdziału strumienia gazu na kilka technologicznych;
• kompresornia, gdzie przygotowuje się paliwo (poprzez podwyższenie ciśnienia) do zatłaczania do odwiertów;
• instalacje do oczyszczania gazu.

Podziemnymi komponentami PMG są: odwierty, wyrobiska, zbiorniki. I ostatni punkt (zbiorniki) jest najciekawszy — od tego, gdzie przechowuje się „błękitne” paliwo, zależy, jak zbudowany jest sam magazyn gazu.

Współczesne podziemne magazyny gazu z wyglądu przypominają duże zakłady przemysłowe. Ponieważ do zapewnienia zatłaczania/odbioru paliwa konieczne jest użycie potężnego sprzętu kompresorowego, oczyszczającego i innego. Które obsługują setki, a nawet tysiące specjalistów.

Przegląd zbiorników do magazynowania gazu

Przy tej samej masie gaz zajmuje znacznie większą powierzchnię niż jakiekolwiek ciała stałe. A ponieważ jest używany w ogromnych ilościach, do jego przechowywania potrzebne są równie duże zbiorniki.

Co więcej, od przechowywania gazu w wykonanych przez człowieka zbiornikach naziemnych specjaliści zrezygnowali już wiek temu.

Przyczyną jest to, że wymagałoby to:

• zajmować ogromne obszary planety kompleksami do przechowywania błękitnego paliwa niskiego ciśnienia;
• używać drogich i wybuchowych zbiorników gazu wysokiego ciśnienia.

W rezultacie, aby zniwelować wymienione powyżej negatywne aspekty, wybór padł na podziemne magazyny, które stanowią zbiorniki znajdujące się na znacznej głębokości, wynoszącej w większości przypadków od 300 do 1000 metrów. Paliwo można tam przechowywać w zbiornikach stworzonych przez naturę.

Ogólnie inżynierowie nauczyli się z powodzeniem wykorzystywać 7 rodzajów naturalnych zbiorników do przechowywania gazu:

• powstałe w wodonośnych porowatych warstwach;
• zachowane po wydobyciu węglowodorów, a mianowicie samego gazu, ropy naftowej;
• utworzone w złożach soli kamiennej;
• stworzone w wyrobiskach górniczych kopalń;
• stworzone w trwałych wiecznie zamarzniętych skałach;
• z niskotemperaturową powłoką lodowo-skalną;
• powstałe po podziemnych wybuchach atomowych.

Chociaż wariantów jest wiele, praktycznością wyróżniają się tylko 4 pierwsze sposoby przechowywania gazu. Pozostałe warianty zbiorników nadają się jedynie teoretycznie.

Północnostawropolskie PMG jest największe na świecie, a zapas przechowywanego tam gazu jest w stanie zaspokoić roczne zapotrzebowanie na paliwo tak dużego kraju jak Francja. Ponieważ powierzchnia magazynu wynosi aż 680 km²

Przyczyną niepraktyczności pozostałych trzech wariantów jest następująca:

• W zamarzniętych skałach można przechowywać gaz, potwierdzeniem tego jest kilka działających magazynów w północnych rejonach planety. Ale ich objętości są bardzo niewielkie, dlatego nie mają obecnie jakiegokolwiek znaczenia przemysłowego.
• Zbiorniki utworzone przez podziemne wybuchy jądrowe są całkowicie odpowiednie do przechowywania znacznych zapasów gazu, co zostało już udowodnione eksperymentalnie. Ale sedno polega na tym, że potężną broń testowano z dala od miejsc zamieszkania ludzi. Dlatego zwykle nie ma tam odbiorców, infrastruktury inżynieryjnej.

W rezultacie wymienione rodzaje zbiorników są po prostu nieprzydatne do użytku.

Chociaż PMG nazywane są magazynami, to tak naprawdę przechowywanie gazu nie jest ich głównym zadaniem. Ponieważ znajdujący się w nich gaz jest w większości wykorzystywany do wyrównywania nierównomierności w zużyciu. Która może być dobowa, tygodniowa, sezonowa. Dopiero w ostateczności PMG tworzone są do niwelowania skutków okoliczności siły wyższej.

Następnie przyjrzyjmy się bliżej każdemu z wariantów przechowywania gazu pod ziemią.

Wariant #1 — magazyny w warstwach nasyconych wodą

Magazyny w wodonośnych warstwach przeznaczone są do niwelowania skutków sezonowej nierównomierności w zużyciu gazu. A także do tworzenia strategicznych rezerw.

Ważną cechą budowy takich magazynów jest minimalny udział człowieka — najczęściej na etapie tworzenia odwiertów niezbędnych do zatłaczania gazu.

Na mapie Rosji widać, że PMG (podziemne magazyny gazu) znajdują się w pobliżu głównych gazociągów i dużych miejscowości. Nie jest to przypadkowe, ponieważ magazyny mają zapewnić stabilność zużycia gazu, dlatego muszą znajdować się w bezpośrednim sąsiedztwie dużych obiektów.

Wymienione zbiorniki poszukuje się w warstwach artezyjskich. Magazyny gazu tworzy się tam, gdzie struktura skały jest przepuszczalna i porowata. Pozostałości cieczy usuwa się gazem, który ją spręża, a następnie wypycha.

Same, tak zwane, zbiorniki do przechowywania paliwa w rzeczywistości nimi nie są. Ściślej mówiąc, w ogóle ich nie ma – jako miejsca do przechowywania wykorzystuje się puste przestrzenie w porowatych warstwach. Cała procedura tworzenia magazynu gazu polega na wypchnięciu części wody na obrzeża. Robi się to w celu stworzenia przestrzeni dla „błękitnego” paliwa.

Wykonanie opisanej powyżej procedury jest możliwe tylko wtedy, gdy sprzyja temu szereg czynników:

• Porowata przepuszczalna warstwa pokryta jest kopułą (pokrywą) z nieprzepuszczalnych skał, którymi zazwyczaj są sprasowane gliny.
• Warstwa wodonośna rozciąga się od granic magazynu na dziesiątki kilometrów. Jeszcze lepiej, jeśli ma ujście na powierzchnię. Wszystko to umożliwia gazowi skuteczne wypychanie wody znajdującej się w warstwie.
• Rozciągłość kopuły jest wystarczająca, aby zapewnić możliwość przechowywania znacznych ilości gazu.
• Porowatość i przepuszczalność skały zapewniają akceptowalną pojemność gazu oraz zdolność do jego oddawania podczas eksploatacji.

Jeśli choć jeden z warunków nie jest spełniony, stworzenie podziemnego magazynu będzie niemożliwe.

Zasada działania nowoczesnych podziemnych magazynów jest prosta. Szczegóły można przeanalizować na przykładzie dużych PMG używanych do wyrównywania sezonowych nierówności.

Zazwyczaj w ciepłych miesiącach wtłacza się do nich potrzebną ilość gazu. Zaczyna się go odbierać dopiero z nadejściem sezonu grzewczego. Co więcej, do rurociągu głównego kierowana jest nie jakaś ogromna ilość gazu, ale średnia statystyczna, znana z doświadczeń eksploatacyjnych z poprzednich zim.

A jeśli nagle temperatura gwałtownie spadnie, a dzienne zużycie wzrośnie o rząd wielkości, duży PMG i tak nie zwiększy wolumenu odbioru. Niedobór pokryją małe magazyny przeznaczone do wyrównywania zużycia dziennego i tygodniowego. Powód jest taki, że z nich łatwiej i szybciej dokonać odbioru.

Za optymalne uważa się zbiorniki o powierzchni od kilku kilometrów kwadratowych, z różnicą wysokości dna i szczytu kopuły w granicach 10–15 metrów.

Zaletą PMG w warstwach wodonośnych jest znaczna pojemność. Wadą natomiast jest to, że geolodzy podczas badania właściwości poziomu wodonośnego mogą nie wykryć i nie uwzględnić jakiegoś ważnego czynnika. W rezultacie magazyn może okazać się nieprzydatny do użytku.

A najgorsze jest to, że często wychodzi to na jaw po ogromnych inwestycjach w budowę infrastruktury naziemnej i podziemnej. Dość często występują też mniej znaczące problemy, przez co eksploatacja podziemnych magazynów gazu w skałach nasyconych wodą wiąże się ze znacznymi nieplanowanymi kosztami.

Wariant #2 – zbiorniki po wydobyciu węglowodorów

Kompleksy inżynieryjne należące do tego typu służą do wygładzania sezonowych wahań zużycia „błękitnego” paliwa. A także do tworzenia strategicznych rezerw.

Podziemne magazyny są poszukiwane, ponieważ ich budowa i eksploatacja są najbardziej opłacalne ekonomicznie. Natomiast ogromne naziemne gazometry (przedstawione na zdjęciu) są używane, gdy nie ma możliwości korzystania z gazociągów magistralnych z PMG. Ponadto w zbiornikach pokazanych na zdjęciu przechowuje się zazwyczaj wyłącznie skroplony gaz.

Budowa magazynów tego typu jest taka sama, jak w przypadku analogów utworzonych w warstwach nasyconych wodą. Oznacza to, że paliwo jest przechowywane w pustkach porowatych skał.

PMG utworzonych w skałach, w których kiedyś znajdowały się węglowodory, jest na świecie najwięcej. Ich liczba sięga aż 70%, a przyczyną tego jest szereg zalet.

Do których należą: znaczna pojemność oraz oszczędności na inwestycjach w poszukiwania, budowę infrastruktury lub przynajmniej jej części, wiercenia – w miejscu tworzenia takich PMG już prowadzono wydobycie ropy i gazu.

Należy rozumieć, że zakopane gazometry nie są podziemnymi magazynami. Ponieważ są przeznaczone do rozwiązywania zupełnie innych zadań. I pod ziemią znajdują się tylko po to, aby uczynić parowanie skroplonego gazu bardziej efektywnym podczas silnych mrozów. I to bez żadnych kosztów. A także warunkowo podziemne umieszczenie gazometrów pozwala zaoszczędzić użyteczną przestrzeń, na przykład na działce przydomowej.

Ale zbiorniki pozostałe po wydobyciu węglowodorów nie mogą być nazwane idealnymi.

Mają sporo wad:

• problemy ze szczelnością starych odwiertów – dotyczy to szczególnie byłych złóż ropy naftowej;
• niewystarczająca porowatość i przepuszczalność skał;
• mieszanie się gazu z pozostałościami ropy – co czasami prowadzi do znacznych strat, ponieważ otrzymanej mieszanki nie da się już wykorzystać.

A także często na złożach ropy naftowej w gazie pojawia się niebezpieczna domieszka w postaci siarkowodoru. Jest on szkodliwy dla zdrowia ludzi, a także niszczy wszelkiego rodzaju konstrukcje stalowe, nawet te ze stali nierdzewnej.

Eksploatacja podziemnych magazynów gazu (PMG) opartych na złożach wyczerpanych węglowodorów jest możliwa, ponieważ podczas zatłaczania gaz wypiera resztki ropy naftowej z odpowiedniej warstwy. Ponadto, podobnie jak woda, charakteryzuje się on ściśliwością i ruchliwością, co ułatwia zagospodarowanie przestrzeni magazynowej. Czasami pod wpływem ciśnienia gazu ropa nie jest wypierana do skały, lecz unosi się ku górze, co staje się dodatkowym źródłem dochodu.

Wariant #3 — zbiorniki w złożach soli kamiennej

Takie zbiorniki gazu służą do niwelowania dobowych i tygodniowych wahań w jego wykorzystaniu, a także uczestniczą w wyrównywaniu sezonowych różnic. Ponadto magazyny w pokładach solnych skutecznie pełnią rolę rezerwowego źródła dla ważnych odbiorców.

Istnieją tylko dwa powszechnie stosowane sposoby magazynowania gazu pod ziemią: w przepuszczalnych porowatych warstwach oraz w kavernach wymytych w złożach soli. Pierwszy wariant jest stosowany, gdy potrzebne jest utworzenie dużego magazynu, drugi – tylko do rozwiązywania lokalnych zadań.

Wskazane PMG tworzy się poprzez wymywanie części złóż soli w celu uzyskania przestrzeni o wymaganym rozmiarze. W tym celu początkowo wierci się kilka otworów, przez które przez dłuższy czas podawana jest woda.

Mimo że opisana procedura jest czasochłonna i kosztowna, zwraca się ona, ponieważ przechowywanie zatłoczonego gazu ziemnego odbywa się bez strat. Powodem jest to, że kawerny solne charakteryzują się szczelnością. Ponadto posiadają one efekt samogojenia — pęknięcia tektoniczne i inne dość szybko zarastają osadami solnymi.

Zaletą urządzenia takich podziemnych magazynów gazu jest to, że wydobycie potrzebnej ilości paliwa odbywa się praktycznie bez ograniczeń prędkości. Jest ona wielokrotnie wyższa niż podczas wykonywania tych samych operacji w zbiornikach innych typów. Również ważną zaletą PMG zbudowanych w kawernach solnych jest wysoki procent odbioru gazu – jeden z najwyższych wśród wszystkich rodzajów magazynów.

Skała do przechowywania gazu powinna być taka, jak pokazano na zdjęciu. To znaczy przepuszczalna i mieć wystarczająco dużo miejsca na umieszczenie dużej ilości paliwa. Ponadto struktura warstwy musi umożliwiać łatwe wypieranie wody i pozostałości ropy naftowej.

Jednak liczba kawern w pokładach solnych nie przekracza 2% ogólnej liczby magazynów.

Na ten wskaźnik wpływa szereg negatywnych aspektów:

• Obecność ogromnych ilości słonej wody po wymyciu jaskiń do przechowywania gazu. W rezultacie, jeśli w pobliżu nie ma morza ani przynajmniej zakładów przetwarzających sól, ciecz nie ma gdzie ulokować. Jest to główna przyczyna niewielkiej liczby tego typu PMG.
• Zmniejszenie pojemności użytkowej podczas eksploatacji. Zjawisko to spowodowane jest parowaniem soli w miejscach o wyższym ciśnieniu i gromadzeniem się jej tam, gdzie ciśnienie jest niższe.
• Pojawienie się w gazie zanieczyszczeń, którymi często są pozostałości cieczy używanej wcześniej do wymywania jaskini.
• Niewielkie ilości, co nie pozwala na tworzenie zapasów w wystarczających ilościach.

W rezultacie magazyny solne są zwykle używane tylko tam, gdzie nie ma możliwości zastosowania wyżej wymienionych rodzajów pojemników.

Wariant #4 — PMG w wyrobiskach górniczych

Ich objętości są niewielkie. Niemniej jednak Szwedzi i Norwegowie przechowują część swoich strategicznych zapasów gazu w pojemnikach właśnie tego typu.

PMG w wyrobiskach górniczych — jedyne gazowe magazyny, całkowicie zagospodarowane przez człowieka. Tak, w jednej z kopalni za pomocą wybuchów tworzy się komorę, którą następnie obkłada się blachą stalową.

Tak wyglądają kawerny solne używane do przechowywania gazu. Są szczelne i niezawodne, ale mają ograniczone rozmiary, dlatego nadają się do tworzenia PMG o niewielkiej objętości. I to wyłącznie do rozwiązywania lokalnych zadań. Na przykład w Rosji z 27 obecnie używanych magazynów tylko 2 są solne.

Chociaż PMG w opuszczonych kopalniach jest opłacalne eksploatować ze względu na wysoki procent i szybkość odbioru, to w najbliższej przyszłości ich liczba znacząco nie wzrośnie. Przyczyną jest to, że opisane magazyny są trudne do budowy. Ponieważ nie zawsze udaje się osiągnąć pełną szczelność, co prowadzi do znacznych strat.

Tak się dzieje, ponieważ podczas eksploatacji kopalni stara się tam doprowadzić maksymalną ilość powietrza. W tym celu tworzy się system wentylacji z licznymi wylotami na powierzchnię, które przy urządzaniu magazynu nie zawsze udaje się uszczelnić.

W rezultacie obecnie istnieje tylko kilka udanych przykładów realizacji idei magazynowania gazu w opuszczonych kopalniach (na terenie Szwecji, Norwegii, Niemiec).

Czy magazyny są szczelne?

Wycieki paliwa są częstymi procesami, których nie da się uniknąć. Ponieważ przyczyn jest zbyt wiele.

Dla wygody dzieli się je na 3 kategorie:

• geologiczne;
• technologiczne;
• techniczne.

Do grupy geologicznych przyczyn zalicza się niejednorodność uszczelnień PMG, obecność uskoków tektonicznych, a także cechy hydrodynamiki i geochemii. Na przykład gaz może po prostu migrować przez warstwę, a specjaliści nie mają na to wpływu.

Technologiczne przyczyny należą do najczęstszych, ponieważ regularnie zdarzają się błędy przy ocenie pewnych faktów. Na przykład – efektywności pułapek hydraulicznych, zasobów gazu, zachodzących procesów fizykochemicznych.

Nierzadko, aby dotrzeć do odpowiednich warstw, stosuje się wiercenie otworów. Jego technologia niczym nie różni się od podobnych procedur przy próbie dotarcia do złóż gazu, ropy naftowej

Techniczne przyczyny najczęściej wiążą się ze stanem używanych otworów, za pomocą których przeprowadza się zatłaczanie gazu.

Specyfika tworzenia PMG

W 95% przypadków PMG są tworzone przez wypychanie wody gazem oraz pozostałości ropy naftowej z porowatych warstw. W ten sposób powstają „zbiorniki” do przechowywania „błękitnego” paliwa.

Najważniejszą cechą jest to, że objętość gazu użyta do wypychania cieczy nie może zostać później wykorzystana do dostarczenia odbiorcom. Jego zadaniem jest zapobieganie powrotowi wody i pozostałości węglowodorów na poprzednie miejsce. W przeciwnym razie magazyn po prostu przestanie istnieć.

Zatem wspomniany gaz jest buforowym. Z reguły stanowi on co najmniej połowę całkowitej objętości zatłoczonej do PMG. W niektórych przypadkach gazu buforowego jest 3 razy więcej niż tego, który może być wykorzystany do dostarczenia odbiorcom, a który nazywa się aktywnym.

Co ciekawe, ilości gazu buforowego nie da się wstępnie obliczyć. Oznacza to, że wszystko sprawdzane jest wyłącznie metodą eksperymentalną, co w wielu przypadkach zajmuje lata. Jednak gdy uzyskany wynik jest niezadowalający, gaz buforowy można wypompować w pełnej objętości.

Kolejność napełniania magazynu

Po przeprowadzeniu przez geologów badań jakiejś warstwy i podjęciu decyzji, że w odpowiednim miejscu można stworzyć magazyn gazu, gazownicy budują kompleks inżynieryjny.

Nowoczesne PMG są najbezpieczniejszym sposobem przechowywania zapasów gazu. Jednak częste wycieki stanowią duży problem dla gazowników i ekologów, którzy uważają takie przypadki za istotny problem dla środowiska. Zdarza się też tak, jak pokazano na zdjęciu (w oddali widać pożar na jednym z węgierskich PMG).

Następnie rozpoczyna się zatłaczanie do przyszłego PMG „błękitnego” paliwa, które jest dostarczane z najbliższego magistralnego gazociągu. Trafia ono na stację oczyszczania, gdzie usuwane są wszelkie zanieczyszczenia mechaniczne.

Czyste paliwo trafia do punktu pomiaru i rozliczenia. Następnie kierowane jest do hali sprężarek, gdzie odbywa się kompresja – tak nazywa się przygotowanie gazu do zatłaczania do magazynu. Polega ona na podniesieniu ciśnienia gazu do wymaganej wartości.

Następnie gaz transportowany jest do punktów dystrybucji gazu, gdzie ogólny strumień dzielony jest na kilka i trafia do różnych linii technologicznych. Stąd poprzez szlejfy kierowany jest do odwiertów w celu zatłoczenia.

Przez cały proces specjaliści kontrolują szereg parametrów, w tym ciśnienie i temperaturę gazu, wydajność każdego odwiertu.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Załączony poniżej materiał wideo poświęcony jest tematowi tworzenia PMG w celu wyrównania nierównomiernego zużycia paliwa, które będzie dostarczane gazociągiem „Siła Syberii”.

Podziemne magazyny gazu są najbardziej niezawodnym i korzystnym sposobem wyrównywania nierównomiernego zużycia gazu oraz jego stabilnego dostarczania w sytuacjach awaryjnych. Najciekawsze jest jednak to, że należy dziękować za to nie ludzkiemu geniuszowi, lecz naturze, która przezornie stworzyła odpowiednie do tego pokłady skał.

Czy Państwo osobiście brali udział w tworzeniu podziemnych magazynów gazu i chcieliby uzupełnić powyższy materiał użytecznymi informacjami? A może zauważyli Państwo nieścisłości w faktach? Prosimy o pozostawienie uwag i komentarzy – blok informacji zwrotnej znajduje się poniżej pod artykułem.