Depozitarea gazelor naturale in cavitati saline

Depozitarea gazelor naturale in cavitati saline

1.     Generalitati

In general, cavernele formate in masivele de sare in scopul depozitarii gazelor naturale au urmatoarele caracteristici:

adancimea: 300 – 2000 m;

grosimea: zeci pana la sute de metri;

volumul: 30.000 – 500.000 m³;

gradientul de presiune la sabotul coloanei de exploatare: 1,5 – 2,5 bar/10 m;

la fel si gradientul de presiune la adancimea medie a cavernei: 2 bar/10 m;

presiune: 25 – 225 bar;

alte substante ce pot fi depozitate: GPL, etan, etilena, propan, propilena, butan, butilena,petrol brut.

2.     Proiectarea si dezvoltarea unei cavitati saline

Dezvoltarea unei cavitati in sare prin dizolvare consta in injectarea prin sonde de apa dulce intr-o caverna in curs de formare si extragerea saramurii saturate printr-o garnitura de tevi concentrice cu cea prin care se introduce apa dulce.

Pentru realizarea cavernelor in sare se inregistreaza urmatoarele faze:

o      selectarea locatiei;

o      forajul si echiparea sondelor;

o      izolarea sari;

o      evacuarea saramurii;

o      completarea sondei;

o      evacuarea saramurii;

o      curatirea cavernei si umplerea;

o      incercarile finale;

o      operarea.

a) Selectarea locatiei

Selectarea locatiei pentru exploatarea cavitatii saline incepe cu explorarea resurselor de sare subterana. Pentru aceasta este nevoie de cercetare geofizica, studii seismice in scopul determinarii adancimii, a geometriei subterane, a succesiunii stratigrafice, a grosimii, a intinderii pe orizontala si structurii rocilor.

Se va tine cont de usurinta accesului, topografia suprafetei, resursele de apa, posibilitatea de depozitare a deseurilor., alcatuirea masei de sare, proprietatile fizice ale mostrelor de sare, precum si cantitatea si caracteristicile substantelor insolubile vor fi evaluate cu usurinta. Domurile de sare se preteaza foarte bine exploatarii unor cavitati de mari dimensiuni, datorita dimensiunii si formei lor.

Uneori o cuta tectonica excesiva precum si impuritatile foarte solubile cum ar fi carnalitul din zacamintele de sare domale pot creea probleme in ceea ce priveste stabilitatea si controlul formei cavitatii. In cazul zacamintelor de sare stratificate unde problemele legate de impuritati sau de tectonica interna sunt mai putin sau chiar inexistente. Grosimea stratului de sare si caracteristicile stratului superior devin factori dominate in proiectare.

In faza initiala a selectarii locatiei toate datele existente si disponibile sunt colectate si organizate. Aceasta operatiune presupune o cercetare bibliografica, geologica, hidologica a rapoartelor, hartilor, sursei de profiluri, fotografiilor aeriene, forari anterioare, rezultate ale exploatarilor de petrol, cercetari seismice gravimetrice. Aceasta faza este urmata de obicei de un foraj, cu extragere de carote, exploatrea resurselor de apa si teste la pompa de pompare dupa necesitati.

b) Forajul si echiparea sondelor

Pentru a obtine injectia si capacitatea de extragere adecvata, sunt selectate sectiunile transversale ale fluidului potrivite, ale tevilor de extractie. Sondele sunt forate si cimentate, adica se calculeaza coloana de tubaj si coloana de tevi de extractie optimizate. Deseori in aceasta etapa se vor for a de asemenea puturi pentru evacuarea apei sarate. Tot in aceasta faza se efectueaza si munca logistica pentru pozitionarea instalatiei de foraj, amenajarea drumuriloe de acces, efectuarea recoltarii mostrelor de carota, a testelor la pompa de pompare si a muncii analizei de laborator.

Numarul de puturi principale si de exploatare care vor fi forate deriva din proiectarea specifica a fiecarei cavitati si din numarul de cavitati necesare pentru a atinge cantitatea totala necesara pentru proiect.

3.     Proprietatile sari

Sarea are un numar de proprietati unice care o fac gazda ideala pentru inmagazinarea gazelor naturale, acestea sunt:

sarea este impermeabila fata de gaze, constituind o capcana perfecta si un mediu de izolare;

are o rezistenta structurala ca a betonului, permitand construirea de mari depozite in caverne;

sarea se comporta plastic, ceea ce ii permite sa inchida sis a izoleze fisurile care pot aparea in roca;

sarea este usor de dizolvat cu ajutorul apei, permitand construirea cu usurinta a cavernelor de depozitare.

Mari depozite de domuri in saline exista in multe zone de pe glob, acestea putand fi intalnite intre stratul de argile, anhidride, gipsuri sau calcare.

Domurile saline sunt usor vizibile avand forma unor munti de sare. Fiecare dom are forma si marimea sa, dar un dom etalon se presupune a fi cilindric si simetric avand aproximativ 1700 m, diametrul de 10 m inaltime si o adancime mai mare de 450 m sub suprafata pamantului.

Un dom salin este compus in esenta din halit pur cu granule dispersate de nisip, anhidrid care in mod fregvent cuprinde 5 – 10 % din masa totala. Un dom este acoperit de stratul superior, de circa 150 m grosime, de stratul poros si fisurat, constituit din anhidrid, ghips, calciu si uneori sulf liber.

Stratele salifere pot varia in grosime de la cativa metri pana la sute de metri. In anumite cazuri, sarea este raspandita prin straturi argiloase sau anhidrite. Atata timp cat aceste formatiuni sunt impermeabile se pot construi depozite in sare.

Datele privind adancimea sunt importante pentru inmagazinarea gazelor naturale in sare, in primul rand pentru ca presiunea la care gazele pot fi depozitate in sare este in functie de adancimea depozitului de sare. Sarea ca orice roca, se fisureaza, astfel ca presiunea maxima de inmagazinare va fi mai mica cu 0,22 bar/m in concordanta cu presiunea litostatica si in al doilea rand se comporta plastic. Drept rezultat, sarea va “aluneca” sau va curge la adancimi mari, la presiune si la temperatura ridicata astfel incat poate aparea problema obturarii cavernelor. Din aceste cause depozitarea in sare este limitata in general la adancimi de pana la 1800 m.

4.     Tehnologia realizarii cavitatii saline

Depozitarea subterana a diferitelor produse petroliere in zacamante depletate are ca scop asigurarea varfurilor sezoniere de consum, asigurarea combinatelor chimice si petrochimice cu aceste materii prime, mai ales cand conductele de alimentare sunt in reparatii sau pentru formarea de rezerve.

Fig. 3.8 a. Diagrama presiunii adimensionale pentru un acvifer radial infinit cu debit final constant.

Fig. 3.8.b. Diagrama debitului adimensional de aflux de apa pentru un acvifer radial infinit cu presiune finala constanta

Calculele sunt effectuate in ipoteza unui acvifer de marime infinita.

Dezvoltarea unei cavitati se face prin sonde, amplasate la adancimi mari, cu ajutorul circulatiei apei dulci. Sondele sunt echipate cu doua garnituri de lucru concentrice formate din burlane de foraj, cea din exterior de protectie si cea din interior de injectie sau de evacuare.

Pentru dizolvarea sarii prin circulatie cu apa dulce se folosesc doua metode:

Prin circulatie directa – atunci cand apa dulce se injecteaza prin garnitura de lucru cu diametrul cel mai mic, iar evacuarea saramurii se face prin spatiul inelar dintre garniturile de lucru. Avantajele acestei metode sunt:

elimina pericolul de dizolvare a sarii din zona adiacenta sabotului ultimei coloane cimentate, datorita concentratiei aproape de saturatie a saramurii vehiculate ascendent;

reduce consumul de fluid izolant dat fiind diametrul transversal redus din tavanul cavitatii;

realizeaza o cavitate sub forma unui ovoid alungit cu diametrul transversal maxim la baza acestuia.

Prin circulatie inversa – cand apa dulce se pompeaza prin spatiul inelar dintre cele doua garnituri de lucru, iar saramura se evacueaza prin garnitura cu diametrul cel mai mic. Avantajul acestei metode este: procedeul conduce la realizarea unor viteze ascendente mari in interiorul garniturii cu diametru mic, asigurand o evacuare eficienta a materialului insolubil care urmeaza sa se depuna la baza cavitatii.

Pentru a se putea face o limitare la partea superioara in dimensionarea pe verticala a depozitului si pentru a putea prevenii dizolvarea sarii din jurul siului ultimei coloane cimentate, in spatiul inelar dintre acestea si coloana de protectie se introduce un fluid izolant, cu o densitate mai mica decat apa pompata si nemiscibil cu ea. Fluidul izolant poate fi de tipul produselor petroliere lichide, gaze lichefiate sau aer.

Acolo unde saramura se evacueaza in mare sau in alte ape, fluidul izolant este de tipul propa – butan care se separa si se evapora in atmosfera, acesta facandu-se pe considerente ecologice si economice.

Factorii care influenteaza procesul de dizolvare

Printre cei mai importanti factori care influenteaza saturarea apei cu sare sunt:

debitul pompat;

fenomenele de difuzie care au loc la peretele cavitatii.

In cadrul debitului pompat, adica cel de circulatie, saturarea apei dulci prin circularea acesteia are o pondere foarte mare in procesul de dizolvare si este determinata de:

diferentele de temperatura ale fluidului din cavitate si tendintele de echilibrare termica. Aceste diferente de temperatura care exista intre apa dulce injectata si saramura aproape stationara din caverna conduc la fenomene de convectie termica si deci tot la o circulatie secundare interna intre pachetele de fluid cu temperaturi diferite.

tendinta de separare gravitationala a fluidelor din depozitul subteran in functie de densitate, si anume de gradul de saturare. Datorita densitatii mai mici pachetele de apa dulce sau de saramura nesaturata au tendinta sa se ridice in rezervor inaintea celor mai dense. Miscarea lor conduc la o agitatie cu tendinta de uniformizare a saturatiei, iar de aici rezulta o circulatie secundara interna intre pachetele de saramura cu concentratii diferite, iar datorita acestor fenomene peretele de sare ramane permanent in contact cu un fluid nesaturat.

compozitia chimica si gradul de solubilitate al elementelor care formeaza complexul mineralogic supus dezvoltarii. Compozitia chimica a rocii influenteaza direct viteza de dizolvare a sarii din masiv, care poate varia in limite apreciabile. Inainte de lansarea unui astfel de proiect trebuiesc analizate crotele din intervalul in care urmeaza a se realiza depozitul subteran, pentru determinarea compozitiei mineralogice si a vitezelor de dizolvare.

gradientii de presiune care apar in depozit in timpul circulatiei. Acestia conduc la viteze de curgere diferite in sectiunile cavitatii si la circulatii secundare cu inlocuirea fluidelor de la peretele cu un fluid mai putin saturat. Fenomenul este semnificativ numai in prima etapa, deoarece, odata cu cresterea diametrului depozitului, eficienta lui scade.

6. Programul  de constructie al sondei

Stabilirea unui program de constructie al sondei pentru realizarea unei cavitati saline necesita un grad ridicat de cunoastere, de investigari si testari dupa cum urmeaza:

investigari geofizice in timpul forajului. Principalele loguri necesare: gama – gama, neutronic si sonic. Prin combinarea rezultatelor acelor locguri calibrate pe informatiile din carote se pot determina impuritatile din masivul de sare si distributia acestora.

teste de laborator, in principal pe probele de carote mecanice prelevate si constau in:

teste de comprimare pentru determinarea caracteristicilor elastice si ductile ale sarii;

teste de scurgere unde se observa dezvoltarea eforului sub incarcare constanta foarte importanta la determinarea valorilor utilizate la calculul pierderilor de volum;

teste de relaxare unde se observa dezvoltarea stresului cu efort constant. Aceste teste trebuiesc facute si rocilor inconjuratoare.

teste in „situ” constau in principal in monitorizarea operatiilor in calitate( teste de lichid, teste de saramura, teste de gaz) si permit determinarea tendintei pierderii de volum, dar din nefericire nu permite ajustarea modelului.

La exploatarea depozitului de sare trebuie avuta in vedere si posibilitatea ruperii sarii, a peretelui respectiv tavanului cavernei.

Ruperea sarii este posibila in urmatoarele situatii:

presiunea in caverna prea mica;

depresurizarea cavitatii prea rapida;

pastrarea unor pilieri insuficienti intre cavitati si rocile inconjuratoare; evitarea acoperisurilor cu deschidere prea mare.

7. Factorii care influenteaza instabilitatea cavernelor saline

Realizarea cavitatilor saline cu scop de depozitare implica evaluarea cat mai precisa a comportamentului structural al deschiderilor subterane, al marimii acestora si vitezei de deformare a sarii la temperaturi relativ constante, pentru perioade lungi de timp.

Utilizarea cavitatii saline create prin dizolvarea sarii geme implica in momentul trecerii acesteia in functionare, inlocuirea saramurii cu gazul ce urmeaza a se stoca si invers.

• Pierderi nerecuperabile,care sunt reprezentate de  cantitatea de gaze naturale asimilate de peretii cavitatii,datorita permeabilitatii masivului de sare;
• Pierderi partial recuperabile,reprezentate de cantitatea de gaze naturale solubilizata in saramura;
• Pieredri recuperabile integral ,reprezentate de cantitatea de gaze naturale ce trebuie lasata in cavitate pentru a mentine stabilitatea acesteia.

Durata de viata a depozitelor in caverne de sare este strans corelata cu stabilitatea acestora in timp si implicit de mecanica rocilor salifere.

Pentru estimarea gradului de stabilitete precum si a duratei de functionare a unui depozit subteran de gaz metan este important de stabilit modul de cedare lena a masivului de sare,la diferite moduri de solicitare mecanica

In masivul de sare realizarea unei cavitati provoaca redistribuirea tensiunilor in timp si spatiu si totodata genereaza un camp de deplasari,care este de asemenea dependent de timp si spatiu.

Marimile tensiunilor si deplasarilor sunt influentate de mai multi factori,astfel incat in fiecare zona de interes studiata exista un alt tip de comportament al sarii.

Stabilitatea cavitatilor se evalueaza prin cuantificarea acestor stari de tensiune si deformatie generate in timpul executarii prin dizolvarea sarii,cat si in timpul functionarii acestora ca depozite.

Avem doua faze mai importante in redistribuirea tensiunilor in jurul cavitatii:

Faza l -este generata in timpul realizarii cavitatii,de presiune a saramurii.Aici presiunea generata de saramura limiteaza manifestarea presiunilor dinspre masivul de sare,dar pot avea loc distrugeri ale cavitatii prin dislocare de blocuri,ce se depun la baza cavitatii si duc la schimbarea formei si dimensiunilor acesteia.

Faza a ll-a –este generata de functionarea cavitatii ca depozit de gaz,cand au loc schimbari ciclice ale presiunii din cavitate,presiunea avand valori maxime in timpul extractiei gazului metan.

Starea de tensiune se modifica in timpul injectiei de gaze in sensul intaririi peretilor cavitatii datorita cresterii presiunii gazului metan.

In timpul extractiei se produc concentrari mari de tensiuni in sensul scaderii potentialului de intarire,rezistenta al peretilor cavitatii.Extragerea gazului se poate face la volum constant sau la presiune constanta,cazuri in care pot aparea fenomene geomecanice specifice fiecarui procedeu, fenomene ce se suprapun cu efectul generat de fiecare procedeu,amplificand distrugerile din jurul cavernei.

Daca efectul schimbarii starii de tensiune poate fi considerat aproximativ constant pentru fiecare ciclu,efectul secundar care il insoteste va avea o intensitate din ce in ce mai mare.

Cu cat valoarea presiunii minime a gazului in caverna este mai scazuta si mentinuta la aceasta valoare un timp mai indelungat,cu atat dezvoltarea fisurilor si a zonelor de rupere va fi mai pronuntata.

Efectele cumulate care conduc la slabirea structurala a masivului de sare in jurul cavitatii sunt de pierdere a etanseitatii, caz in care i-ar compromite calitatea de depozit.

8.           Calculul deformarii cavitatii

Datorita presiunii minime din caverna in timpul golirii apar probleme legate de stabilirea cavernei si prevenirea deformarii din cauza plasticitatii sarii.Acest fenomen este denumit deformare convergenta si determina pierderea graduala  a volumului util al cavernei.(subsidenta).

Ecuatiile care descriu acest fenomen iau in considerare  deformarea cilindrului sau a sferei si au urmatoarea forma :

- cilindru

- sfera

Unde :A,Q si n – parametrii dependenti de temperatura si de modelul considerat.

T-temperatura absoluta in stratul de sare;

P₀ –presiunea triaxiala predominanta “in situ”,cca.(2 bari/10m adancime);

P_i –presiunea din interiorul cavitatii,bari;

t-timpul pentru care se calculeaza variatia de volum,secunde;

R-constanta pentru sare,(cal/mol K).

-constanta pentru efortul din material in stare stabilizata,(kg/cm)

Micsorarea cavernelor in sare se propaga in toate directiile si ajungand la suprafata poate determina fenomenul de subsisdenta cu efecte negative asupra mediului inconjurator.

De obicei in calculele pentru modelul nostru ca roca de sare din Vestul Germaniei se folosesc urmatoarele valori:

R=1,98 [cal/mol K]

=1[psi]=0,07[kg/cm

A=3,2710[in/in per sec]

Q=12.900[CAL/MOL]

n=5

Aceste valori au fost determinate in laborator dupa diferite analize ale probelor de sare extrase prin sonde de exploatare.

9.Calculul transferului de caldura prin peretii cavitatii.

Rata transferului de caldura prin peretii cavitatii  poate fi calculata cu formula:

- temperatura geotermica    3.17

unde :q-reprezinta rata transferului de caldura prin peretii cavitatii,i n Btus/ora;

A-aria totala a transferului de caldura.ft

U-coeficientul trasnferului de caldura globala dintre masa de sare din peretii cavitatii la conditii statice geotermale si gazul natural din cavitate la o ntemperatura medie T.

Distributia temperaturii prin peretii cavitatii este reprezentata in figura de mai jos:

Fig.1    Distributia temperaturii in timpul extractiei dintre cavitate si masa de sare ce o inconjoara.

Termenul reprezinta rezistenta termica globala la conductivitate de la (d=d)la (d=d),plus rezistenta la convectia naturala  din interiorul peretilor cavitatii. De aceea presupunem starea sigura:

3.18

Valoarea coeficientului de transfer a caldurii globale U calculate dupa datele temperaturii observate pe teren de doctoral Haddenhorst au iesit intre 5 si 25 Btus/hrftF pentru proprietatiile si conditiile aplicate acelei cavitati.

Valoarea particulara a coeficientului filmului de convectie naturala h poate fi estimat folosind urmatoarea relatie:

Nu=c(GrPr) unde :

Nu-numarul lui Nusselt,,Nu=hd/K

Gr-numarul lui Grashof,Gr=gh

Pr-numarul lui prandtl,Pr=c/Kg;

In formula de mai sus este coeficient al expansiunii termice.

Pentru gazelle ideale avem:=1/T unde:

T-temperatura absoluta a gazului din interiorul cavitatii;

g-acceleratia gravitationala;

-diferenta de temperatura dintre gazul din interiorul cavitatii si temperatura peretelui ;

-densitatea gazului natural,=29G/zRT p lb/ft

h-inaltimea cavitatii,feet;

-vascozitatea gazului natural lb/ftsec;

c-coeficient pentru precizarea convectiei naturale,dimensionat;

m-exponent pentru precizarea convectiei naturale,dimensionat;

c-caldura specifica la presiune constanta pentru gaze naturale,Btus/lbftF;

RASTOACA ALEX   

K_g –conductivitatea termica a gazului natural,Btus/hr x ft²x(⁰F/ft);

K_s-conductivitatea termica a starii btus/hr x ft²x(⁰F / ft);

d₀-diametrul estimat in amasa sarii unde temperature este egala cu temperatura statica geometrica.

10.     Verificarea inventarului cavitatii

La inmagazinarea gazelorsubterane, inventarul primit este direct proportional cu volumul pe care il ocupa de fiecare data.

Metoda volumetrica

S_a- volumul din caverna ocupat de saramura ramasa (fractiuni de unitate )

V-volumul masurat al cavernei mc

Metoda bazata pe variatia de presiune

Verificarea inventarului este esentiala in asigurarea livrarii gazelor.

Ecuatia pentru inceputul calcului inventarului de la depresurizarea unui rezervor inmagazinat subteran la debitul produs al inventarului extras, si pseudo-presiunea corespunzatoare in , pot fi adaptate la calculul inventarului intr-o cavitate salina dupa cum urmeaza :

Calculul incertitudinii in revizia inventarului se face cu urmatoarea ecuatie:

unde :DQ-reprezinta cantitatea masurata retrasa sau injectata in cavitatea subterana