Hur underjordiska gaslager fungerar: lämpliga sätt att lagra naturgas

Man skulle kunna tro att kunskap om hur underjordiska gaslager fungerar inte har någon praktisk betydelse för den vanliga användaren. Men mänskligheten är alltför beroende av det 'blåa' bränslet och man vill verkligen vara säker på att det aldrig blir avbrott i leveranserna. Eller hur?

Och varje person kan lugnas av informationen om underjordiska gaslager (UGL) – så länge de är fulla kommer det inte att vara några problem med gastillförseln. Läs mer om lagrens konstruktion och lagringsfunktioner i vår artikel.

Konstruktion av underjordiska gaslager

Om privata husägare använder gastankar för att lagra gas för hushållsbehov, så handlar det i statlig skala om helt andra lagringsalternativ. Officiellt är underjordiska gaslager komplex av tekniska anläggningar som används för inmatning, lagring och uttag av 'blått' bränsle. De består av markbaserade och underjordiska komponenter.

Till markbaserade komponenter hör:

• gasdistributionsstation, som används för att dela upp gasflödet i flera tekniska flöden;
• kompressorverkstad, där bränslet förbereds (genom tryckhöjning) för injicering i brunnarna;
• anläggningar för gasrening.

Underjordiska komponenter i UGL är: brunnar, bergrum, reservoarer. Och den sista punkten (reservoarer) är den mest intressanta – var det 'blåa' bränslet lagras avgör hur själva gaslagret är konstruerat.

Moderna underjordiska gaslager ser utifrån ut som stora fabriker. För att säkerställa inmatning/uttag av bränsle måste man använda kraftfull kompressor-, renings- och annan utrustning. Som underhålls av hundratals, om inte tusentals, specialister.

Översikt över lagringstankar för gas

Vid samma vikt tar gas upp mycket större yta än några fasta ämnen. Och eftersom den används i enorma mängder, behövs lika stora behållare för dess lagring.

Dessutom övergav experter redan för ett sekel sedan att lagra gas i människotillverkade markreservoarer.

Anledningen är att detta skulle kräva:

• uppta enorma ytor av planeten med anläggningar för lagring av 'blått' bränsle vid lågt tryck;
• använda dyra och explosiva högtrycksgasbehållare.

Som ett resultat, för att neutralisera de ovan nämnda negativa aspekterna, valdes underjordiska lagringsanläggningar, vilka anses vara behållare på avsevärt djup. I de flesta fall är djupet mellan 300 och 1000 meter. Och bränslet kan lagras i reservoarer skapade av naturen.

Sammanlagt har ingenjörer lärt sig att framgångsrikt använda 7 typer av naturliga reservoarer för gaslagring:

• bildade i vattenmättade porösa lager;
• kvarvarande efter utvinning av kolväten, nämligen gas och olja;
• bildade i saltavlagringar;
• skapade i gruvgångar;
• skapade i hårda permafrostbergarter;
• med lågtemperatur is-bergartsskal;
• bildade efter underjordiska atomprovsprängningar.

Även om det finns många alternativ, så utmärker sig bara de fyra första metoderna för gaslagring i praktiken. De återstående reservoaralternativen är endast teoretiskt lämpliga.

Severo-Stavropols underjordiska gaslager är världens största och lagret av gas där kan täcka ett års bränslebehov för ett så stort land som Frankrike. Eftersom lagringsområdet är hela 680 km²

Anledningen till att de återstående tre alternativen är opraktiska är följande:

• I frusna bergarter kan gas lagras, vilket bekräftas av flera aktiva lagringsanläggningar i planetens norra regioner. Men deras volymer är extremt små, så de har idag ingen industriell betydelse.
• Behållare bildade av underjordiska kärnvapenexplosioner är fullt lämpliga för lagring av betydande gasreserver, vilket redan har bevisats experimentellt. Men poängen är att det kraftfulla vapnet testades långt från mänskliga bosättningar. Därför finns det oftast inga konsumenter eller teknisk infrastruktur där.

Som ett resultat är de nämnda typerna av behållare helt enkelt olämpliga för användning.

Även om UGL kallas lagringsanläggningar, är gaslagring faktiskt inte deras primära uppgift. Eftersom gasen som finns där till största delen används för att jämna ut obalanser i förbrukningen. Dessa obalanser kan vara dagliga, veckovisa eller säsongsbetonade. Först i sista hand skapas UGL för att neutralisera effekterna av force majeure-förhållanden.

Nedan ska vi titta närmare på vart och ett av alternativen för underjordisk gaslagring.

Alternativ #1 — lager i vattenmättade formationer

Lagringsanläggningar i vattenmättade lager är avsedda för att neutralisera effekterna av säsongsvariationer i gasanvändningen. Även för att skapa strategiska reserver.

En viktig egenskap hos sådana lagringsanläggningar är minimal mänsklig inblandning – oftast i skedet när brunnar skapas för gasinjektion.

På Rysslands karta syns att UGS (underjordiska gaslager) ligger nära stamgasledningar och stora befolkningscentra. Det är ingen slump, eftersom lagren är avsedda att säkerställa stabilitet i gasförbrukningen, varför de måste vara i omedelbar närhet av stora anläggningar.

De nämnda behållarna söks i artesiska skikt. Gaslagren skapas där bergartens struktur är genomsläpplig och porös. Vätskerester avlägsnas med gas, som komprimerar den och sedan trycker ut den.

De så kallade behållarna för bränslelagring är i själva verket inte sådana. Mer exakt, de finns inte alls – som lagringsplats använder man tomrum i porösa skikt. Och hela proceduren för att skapa ett gaslager består i att trycka undan en del av vattnet till periferin. Detta görs för att skapa utrymme för det 'blå' bränslet.

Det går att utföra den ovan beskrivna proceduren endast om ett antal faktorer bidrar till detta:

• Det porösa genomsläppliga skiktet är täckt av en kupol (ett lock) av gasogenomsläppliga bergarter, vilka vanligtvis är pressade leror.
• Det vattenförande lagret sträcker sig tiotals kilometer från lagergränserna. Ännu bättre är om det har ett utlopp till ytan. Allt detta gör det möjligt för gasen att framgångsrikt trycka undan vattnet i lagret.
• Kupolens utsträckning är tillräcklig för att möjliggöra lagring av betydande gasvolymer.
• Bergartens porositet och permeabilitet ger en acceptabel gasvolym och förmåga att avge den vid utvinning.

Om minst ett av villkoren inte uppfylls, är det omöjligt att skapa ett underjordiskt lager.

Funktionsprincipen för moderna underjordiska lager är enkel. Man kan studera egenskaperna med exemplet av stora UGS som används för att jämna ut säsongsmässiga variationer.

Så, vanligtvis under den varma årstiden pumpas den nödvändiga mängden gas in i dem. Den börjar tas ut först när eldningssäsongen börjar. Och in i stamledningen skickas inte en enorm mängd gas, utan en genomsnittlig mängd, känd från drifterfarenhet från tidigare vintrar.

Men om temperaturen plötsligt sjunker kraftigt och den dagliga förbrukningen blir en storleksordning högre, kommer det stora UGS ändå inte att öka uttagsvolymerna. Och bristen täcks av små lager som är avsedda för att jämna ut dygns- och veckoförbrukning. Anledningen är att det är enklare och snabbare att ta ut från dem.

Optimala anses behållare med en yta från några kvadratkilometer. Med en höjdskillnad mellan botten och kupolens topp på 10–15 meter.

Fördelen med UGS i vattenmättade skikt är en betydande kapacitet. Och nackdelen anses vara att geologer vid studier av egenskaperna hos den vattenförande horisonten kan missa och inte ta hänsyn till någon viktig faktor. Som ett resultat kan lagret visa sig olämpligt för användning.

Det värsta är att detta ofta upptäcks efter enorma kapitalinvesteringar i byggandet av ovan- och underjordisk infrastruktur. Ganska ofta förekommer mindre betydande problem, vilket innebär att driften av UGS i vattenmättade bergarter åtföljs av betydande oförutsedda kostnader.

Alternativ #2 — behållare efter utvinning av kolväten

Ingenjörskomplex som tillhör denna typ används för att jämna ut säsongsvariationer i förbrukningen av det 'blå' bränslet. Samt för att skapa strategiska reserver.

Underjordiska lagringsanläggningar är efterfrågade eftersom deras konstruktion och drift är mest ekonomiskt fördelaktiga. De enorma ovanjordiska gasbehållarna (avbildade på bilden) används om det inte är möjligt att använda huvudgasledningar med UGS. Dessutom lagras vanligtvis endast flytande gas i behållarna som visas på bilden.

Konstruktionen av lagringsanläggningar av denna typ är densamma som för motsvarigheter skapade i vattenmättade formationer. Det vill säga bränslet lagras i porösa bergarters hålrum.

UGS-anläggningar skapade i bergarter där kolväten en gång fanns är vanligast i världen. Deras antal uppgår till hela 70%, vilket beror på en rad fördelar.

Dessa inkluderar: betydande kapacitet och besparingar på kapitalinvesteringar i prospektering, byggandet av infrastruktur eller åtminstone delar av den, borrning — på platsen för sådana UGS-anläggningar har redan olje- och gasutvinning skett.

Man bör förstå att nedgrävda gasbehållare inte är underjordiska lagringsanläggningar. De är avsedda för helt andra uppgifter. De placeras under jord endast för att göra avdunstning av flytande gas mer effektiv i sträng kyla, och det utan extra kostnader. Dessutom möjliggör den till synes underjordiska placeringen av gasbehållare att spara användbart utrymme, till exempel på en trädgårdstomt.

Men behållarna som återstår efter kolväteutvinning kan inte kallas idealiska.

De har många nackdelar:

• problem med täthet hos gamla brunnar – särskilt gäller detta tidigare oljefält;
• otillräcklig porositet, permeabilitet hos bergarterna;
• blandning av gas med oljerester – vilket ibland leder till betydande förluster eftersom den resulterande blandningen inte kan användas.

Dessutom uppstår ofta en farlig förorening i form av vätesulfid i gasen på oljefält. Det är skadligt för människors hälsa och förstör alla typer av stålkonstruktioner, även de som är rostfria.

Drift av UGS-anläggningar baserade på platser med uttömda kolvätefyndigheter är möjlig eftersom gasen vid injicering tränger undan oljerester från det aktuella lagret. Dessutom har den, liksom vatten, kompressibilitet och rörlighet, vilket underlättar uppgiften att anordna lagringsutrymmet. Ibland pressas oljan under gastryck inte ut i berget utan stiger uppåt, vilket blir en extra inkomstkälla.

Alternativ #3 — reservoarer i stensaltavlagringar

Sådana gasbehållare används för att jämna ut dygns- och veckovariationer i gasförbrukningen, och de deltar även i utjämning av säsongsvariationer. Dessutom fungerar lagringsanläggningar i saltlager framgångsrikt som reservkälla för viktiga förbrukare.

Det finns bara två efterfrågade metoder för att lagra gas under jord. Nämligen i permeabla porösa lager och i håligheter som urholkats i saltavlagringar. Det första alternativet används när man behöver skapa en stor lagring, det andra – endast för lokala ändamål.

Dessa UGS-anläggningar skapas genom att en del av saltavlagringarna tvättas bort för att skapa en hålighet av önskad storlek. För detta borras först flera brunnar, genom vilka vatten tillförs under en längre tidsperiod.

Även om den beskrivna processen är tidskrävande och kostsam, betalar den sig eftersom lagringen av injicerad naturgas sker utan förluster. Orsaken är att saltgrottor är täta. Dessutom har de en självläkande effekt – tektoniska och andra sprickor växer snabbt igen med saltavlagringar.

Fördelen med att anordna sådana underjordiska gaslager är att uttaget av önskad bränslevolym sker praktiskt taget utan hastighetsbegränsningar. Hastigheten är flera gånger högre än vid samma operationer i andra typer av behållare. En annan viktig fördel med UGS-anläggningar i saltgrottor är den höga uttagsprocenten av gas – en av de högsta bland alla typer.

Bergarten för gaslagring måste vara som visas på bilden. Det vill säga permeabel och ha tillräckligt med utrymme för en stor volym bränsle. Dessutom måste lagrets struktur tillåta att vatten och oljerester lätt trängs undan.

Men antalet håligheter i saltlager överstiger inte 2 % av det totala antalet lagringsplatser.

Flera negativa faktorer påverkar denna siffra:

• Förekomsten av enorma mängder saltvatten efter urtvättning av grottorna för gaslagring. Om det inte finns något hav eller åtminstone en saltförädlingsanläggning i närheten finns det ingenstans att göra av vätskan. Detta är den främsta orsaken till det lilla antalet sådana UGS-anläggningar.
• Minskning av användbar volym under drift. Detta fenomen orsakas av saltets avdunstning på platser med högre tryck och ansamling där trycket är lägre.
• Förekomst av föroreningar i gasen, som ofta är rester av vätska som tidigare använts för att spola ur grottan.
• Obetydliga volymer, vilket inte gör det möjligt att skapa tillräckliga lager.

Därför används saltlager vanligtvis endast där det inte är möjligt att använda de ovan nämnda typerna av behållare.

Alternativ #4 — UGL i bergrum

Deras volymer är obetydliga. Ändå lagrar svenskarna och norrmännen en del av sina strategiska gasreserver i just denna typ av behållare.

UGL i bergrum är den enda gaslagringsanläggningen som är helt och hållet konstruerad av människan. I en av gruvorna skapar man till exempel ett utrymme med sprängningar, som sedan kläs med stålplåtar.

Så här ser saltkaverner ut, som används för gaslagring. De är täta och pålitliga, men har begränsad storlek, så de är lämpliga för UGL med liten volym. Och endast för lokala ändamål. Till exempel i Ryssland är endast 2 av de 27 för närvarande använda lagren saltkaverner.

Även om UGL i nedlagda gruvor är lönsamma att driva på grund av hög uttagsprocent och hastighet, kommer antalet inte att öka avsevärt inom en nära framtid. Anledningen är att de beskrivna lagren är svåra att bygga. Eftersom det inte alltid går att uppnå full täthet, vilket leder till betydande förluster.

Detta beror på att man under gruvdriften försöker tillföra så mycket luft som möjligt. Därför skapas ett ventilationssystem med många utgångar till ytan, som inte alltid går att täta när lagret anläggs.

Som ett resultat finns det i dag bara några få framgångsrika exempel på gaslagring i nedlagda gruvor (i Sverige, Norge, Tyskland).

Är lagren täta?

Läckage av bränsle är vanliga företeelser som inte går att undvika. Orsakerna är för många.

För enkelhets skull delas de in i 3 kategorier:

• geologiska;
• teknologiska;
• tekniska.

Till gruppen geologiska orsaker hör inhomogenitet i UGL:s täckskikt, förekomst av tektoniska förkastningar samt egenskaper hos hydrodynamik och geokemi. Till exempel kan gasen helt enkelt migrera i lagret och experterna kan inte påverka detta.

Teknologiska orsaker är de vanligaste eftersom det regelbundet görs fel vid bedömning av vissa fakta. Till exempel effektiviteten hos hydrauliska fällor, gasreserver, pågående fysikalisk-kemiska processer.

Ofta används borrning av brunnar för att nå önskade lager. Tekniken skiljer sig inte från liknande procedurer när man försöker nå gas- och oljefyndigheter.

Tekniska orsaker är oftast kopplade till tillståndet hos de brunnar som används för gasinjektion.

Särdrag vid skapande av UGL

I 95 % av fallen skapas UGL genom att gas trycker ut vatten, oljerester från porösa lager. På så sätt skapas "behållare" för lagring av "blått" bränsle.

Den allra viktigaste egenskapen är att den gasvolym som använts för att trycka ut vätskor inte längre kan användas för leverans till kunder. Dess uppgift är att förhindra att vatten och kolväterester återvänder till den gamla platsen. Annars skulle lagret helt enkelt upphöra att existera.

Denna gas är alltså buffertgas. Den uppgår vanligtvis till minst hälften av den totala volymen som injekterats i UGL. I vissa fall finns det tre gånger mer buffertgas än den gas som kan användas för leverans till kunder, vilken kallas aktiv gas.

Intressant nog går det inte att i förväg beräkna mängden buffertgas. Allt testas enbart genom experimentella metoder. Detta tar i många fall åratal. Men om resultatet är otillfredsställande kan buffertgasen ändå sugas ut i sin helhet.

Ordning för påfyllning av lagret

Efter att geologer har utfört undersökningar av någon formation och beslutat att en gaslageranläggning kan byggas på rätt plats, uppför gasproducenterna ett ingenjörskomplex.

Moderna UGL är det säkraste sättet att lagra gasreserver. Men dess frekventa läckor är ett stort problem för gasföretag och ekologer, som anser sådana fall vara ett betydande miljöproblem. Och ibland händer det som visas på bilden (i fjärran syns en brand på ett av de ungerska UGL-lagren).

Därefter påbörjas injektion av "blått" bränsle i det framtida UGL, som leds från den närmaste stamledningen. Det kommer till en reningsplats där alla slags mekaniska föroreningar avlägsnas.

Det rena bränslet förs till en mät- och kontrollstation. Därefter till kompressorhallen där komprimering sker – så kallas förberedelsen av gasen för injektion i lagret. Det innebär att gasens tryck höjs till önskat värde.

Därefter transporteras den till gasdistributionspunkter. Där delas huvudflödet upp på flera och går in i olika processlinjer. Därifrån leds den via ledningar till brunnarna för injektion.

Under hela processen övervakar specialister ett antal parametrar, däribland gastryck och temperatur samt varje brunns produktivitet.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Videomaterialet nedan handlar om ämnet att skapa UGL för att jämna ut den ojämna bränsleförbrukningen som ska levereras av gasledningen "Sila Sibiri".

Underjordiska gaslager är det mest pålitliga och lönsamma sättet att utjämna ojämn gasförbrukning och säkerställa stabil leverans vid force majeure. Det mest intressanta är att vi inte ska tacka mänsklig genialitet, utan naturen, som förutseende har skapat lämpliga bergformationer för detta.

Har du personligen deltagit i skapandet av underjordiska gaslager och vill komplettera materialet ovan med användbar information? Eller har du märkt en avvikelse i fakta? Lämna dina synpunkter och kommentarer – återkopplingsblocket finns nedan under artikeln.