Hoe ondergrondse gasopslagplaatsen werken: geschikte methoden voor het opslaan van aardgas

Het lijkt erop dat kennis over hoe ondergrondse gasopslagplaatsen werken geen praktisch nut heeft voor de gewone gebruiker. Maar de mensheid is te afhankelijk van 'blauwe' brandstof en u wilt zo graag zeker zijn dat er nooit onderbrekingen in de levering zullen zijn. Toch?

En elke landgenoot kan worden gerustgesteld door de informatie over ondergrondse gasopslagplaatsen (UGS) — zolang ze vol zijn, zullen er geen problemen zijn met de gasvoorziening. Lees meer over de constructie van opslagplaatsen en de kenmerken van opslag in ons artikel.

Constructie van ondergrondse gasopslagplaatsen

Als voor de opslag van gas voor huishoudelijk gebruik eigenaren van particuliere woningen gasvaten gebruiken, dan gaat het op staatsniveau om heel andere opslagmogelijkheden. Officieel zijn ondergrondse gasopslagplaatsen complexen van technische constructies die dienen voor het injecteren, opslaan en onttrekken van 'blauwe' brandstof. Ze bestaan uit bovengrondse en ondergrondse componenten.

Tot de bovengrondse behoren:

• gasdistributiepunt, dat dient om de gasstroom over verschillende technologische lijnen te verdelen;
• compressorhal waar de brandstof wordt voorbereid (door drukverhoging) voor injectie in de boorputten;
• gasreinigingsinstallaties.

Ondergrondse componenten van UGS zijn: boorputten, mijnwerken, reservoirs. En het laatste punt (reservoirs) is het meest interessant — de locatie waar de 'blauwe' brandstof wordt opgeslagen, bepaalt hoe de gasopslagplaats zelf is geconstrueerd.

Moderne ondergrondse gasopslagplaatsen lijken uiterlijk op grote fabrieken. Om de injectie/onttrekking van brandstof te garanderen, moet namelijk krachtige compressor-, reinigings- en andere apparatuur worden gebruikt. Deze wordt bediend door honderden, zo niet duizenden specialisten.

Overzicht van opslagreservoirs voor gas

Bij hetzelfde gewicht neemt gas veel grotere oppervlakten in dan vaste stoffen. En omdat het in enorme hoeveelheden wordt gebruikt, zijn er ook even grote reservoirs nodig voor de opslag.

Bovendien hebben specialisten al een eeuw geleden afgezien van het opslaan van gas in door de mens gemaakte bovengrondse tanks.

De reden is dat hiervoor nodig zou zijn:

• enorme delen van de planeet bezetten met complexen voor de opslag van 'blauwe' brandstof onder lage druk;
• dure en explosieve hogedrukgashouders gebruiken.

Als gevolg daarvan, om de bovengenoemde negatieve punten te neutraliseren, werd gekozen voor ondergrondse opslagplaatsen, en als zodanig worden beschouwd containers die zich op aanzienlijke diepte bevinden. Die in de meeste gevallen varieert van 300 tot 1000 meter. En brandstof kan daar worden opgeslagen in reservoirs die door de natuur zijn gecreëerd.

In totaal hebben ingenieurs geleerd om met succes 7 soorten natuurlijke reservoirs voor gasopslag te gebruiken:

• ontstaan in waterverzadigde poreuze lagen;
• behouden na de winning van koolwaterstoffen, namelijk hetzelfde gas, olie;
• gevormd in steenzoutafzettingen;
• gecreëerd in mijnbouwgroeven;
• gecreëerd in stevige permafrostgesteenten;
• met een lage temperatuur ijsgesteente-omhulling;
• ontstaan na ondergrondse atoomexplosies.

Hoewel er veel opties zijn, onderscheiden alleen de eerste 4 methoden voor gasopslag zich door praktisch nut. De overige reservoiropciones zijn alleen theoretisch geschikt.

De Noord-Stavropol UGS is de grootste ter wereld en de voorraad gas die daar is opgeslagen kan de jaarlijkse brandstofbehoefte van een groot land als Frankrijk dekken. Omdat de opslagoppervlakte maar liefst 680 km² bedraagt.

De reden voor de onpraktischheid van de overige drie opties is als volgt:

• In bevroren gesteenten kan gas worden opgeslagen, bevestiging hiervan zijn enkele operationele opslagplaatsen in de noordelijke regio's van de planeet. Maar hun volumes zijn uiterst gering, dus hebben zij op dit moment geen industriële betekenis.
• Reservoirs die zijn ontstaan door ondergrondse kernproeven zijn zeer geschikt voor de opslag van aanzienlijke gasvoorraden, wat al experimenteel is bewezen. Maar het punt is dat krachtige wapens ver weg van woonplaatsen werden getest. Daarom zijn er meestal geen consumenten, technische voorzieningen.

Als gevolg daarvan zijn deze soorten reservoirs simpelweg ongeschikt voor gebruik.

Hoewel UGS-installaties opslagplaatsen worden genoemd, is het besparen van gas eigenlijk niet hun primaire taak. Omdat het gas dat erin zit grotendeels wordt gebruikt om oneffenheden in het verbruik glad te strijken. Dat kan dagelijks, wekelijks, seizoensgebonden zijn. Pas als laatste worden UGS-installaties gecreëerd om de gevolgen van overmachtssituaties te neutraliseren.

Vervolgens bekijken we elk van de opties voor ondergrondse gasopslag in detail.

Optie #1 — opslagplaatsen in waterverzadigde lagen

Opslag in waterverzadigde lagen is bedoeld om de gevolgen van seizoensgebonden onregelmatigheden in het gasverbruik te neutraliseren. En ook voor het creëren van strategische reserves.

Een belangrijk kenmerk van de aanleg van dergelijke opslagplaatsen is minimale menselijke tussenkomst — meestal alleen in de fase van het boren van putten die nodig zijn voor het injecteren van gas.

Op de kaart van Rusland is te zien dat de ondergrondse gasopslagen zich in de buurt van hoofdaardgasleidingen en grote nederzettingen bevinden. En dit is geen toeval, want de opslagplaatsen zijn bedoeld om de stabiliteit van het gasverbruik te waarborgen, waarvoor ze in de directe nabijheid van grote objecten moeten liggen.

De genoemde reservoirs worden gezocht in artesische lagen. Gasopslagplaatsen worden gecreëerd waar de gesteentestructuur doorlatend en poreus is. Vloeistofresten worden verwijderd met gas, dat het samendrukt en vervolgens uitperst.

De zogenaamde brandstofopslagreservoirs zijn dat in werkelijkheid niet. Of beter gezegd, ze bestaan helemaal niet — als opslagplaats worden holtes in poreuze lagen gebruikt. En de hele procedure voor het creëren van een gasopslag bestaat uit het verdringen van een deel van het water naar de periferie. Dit wordt gedaan om ruimte te creëren voor de 'blauwe' brandstof.

De hierboven beschreven procedure kan alleen worden uitgevoerd als een aantal factoren hieraan bijdragen:

• De poreuze doorlatende laag is bedekt met een koepel (afdekking) van gasondoorlatende gesteenten, die meestal geperste kleien zijn.
• De watervoerende laag strekt zich tientallen kilometers uit vanaf de grenzen van de opslag. En nog beter is het als deze een uitweg naar het oppervlak heeft. Al het bovenstaande stelt het gas in staat om met succes het water dat zich in de laag bevindt te verdringen.
• De lengte van de koepel is voldoende om de mogelijkheid te bieden aanzienlijke hoeveelheden gas op te slaan.
• De porositeit en doorlaatbaarheid van het gesteente zorgen voor een aanvaardbare gasopslagcapaciteit en het vermogen om het gas vrij te geven bij winning.

Als er aan ten minste één van de voorwaarden niet wordt voldaan, is het onmogelijk om een ondergrondse opslag te creëren.

Het werkingsprincipe van moderne ondergrondse opslagplaatsen is eenvoudig. De kenmerken kunnen worden bekeken aan de hand van het voorbeeld van grote ondergrondse gasopslagen die worden gebruikt voor het gladstrijken van seizoensgebonden oneffenheden.

Zo wordt er in de warme periode van het jaar meestal de benodigde hoeveelheid gas in gepompt. Dat begint men pas te onttrekken bij het begin van het stookseizoen. Bovendien wordt er niet een enorme hoeveelheid gas naar de hoofdleiding gestuurd, maar een gemiddelde hoeveelheid, bekend uit de exploitatie-ervaring van voorgaande winters.

En als de temperatuur plotseling sterk daalt en het dagelijkse verbruik een orde van grootte hoger wordt, zal de grote ondergrondse gasopslag toch niet de hoeveelheid onttrekking verhogen. Het tekort wordt dan gedekt door kleine opslagplaatsen die bedoeld zijn voor het gladstrijken van dagelijks en wekelijks verbruik. De reden is dat het gemakkelijker en sneller is om uit deze opslagplaatsen te onttrekken.

Reservoirs met een oppervlakte van enkele vierkante kilometers worden als optimaal beschouwd. Met een hoogteverschil tussen de bodem en de top van de koepel binnen 10-15 meter.

Het voordeel van ondergrondse gasopslag in waterverzadigde lagen is de aanzienlijke capaciteit. Een nadeel is dat geologen bij het bestuderen van de kenmerken van de watervoerende laag een belangrijke factor over het hoofd kunnen zien en niet in aanmerking kunnen nemen. Met als gevolg dat de opslag ongeschikt voor gebruik blijkt.

Het allerergste is dat dit vaak pas aan het licht komt na enorme investeringen in de aanleg van bovengrondse en ondergrondse infrastructuur. Ook komen er regelmatig minder grote problemen voor, waardoor de exploitatie van UGS in waterverzadigde gesteenten gepaard gaat met aanzienlijke ongeplande kosten.

Optie #2 - opslagtanks na winning van koolwaterstoffen

Ingenieurscomplexen die tot dit type behoren, dienen om seizoensschommelingen in het verbruik van 'blauwe brandstof' op te vangen. Ook voor het aanleggen van strategische voorraden.

Ondergrondse opslag is populair omdat de aanleg en exploitatie economisch het voordeligst zijn. Enorme bovengrondse gastanks (afgebeeld op de foto) worden gebruikt wanneer het niet mogelijk is gebruik te maken van hoofdgaspijpleidingen met UGS. Bovendien wordt in de op de foto afgebeelde tanks doorgaans alleen vloeibaar gas opgeslagen.

De inrichting van opslagplaatsen van dit type is hetzelfde als bij vergelijkbare installaties in waterverzadigde lagen. Dat wil zeggen dat de brandstof wordt opgeslagen in de holtes van poreus gesteente.

UGS-installaties die zijn aangelegd in gesteenten waar zich ooit koolwaterstoffen bevonden, komen wereldwijd het meest voor. Zo bedraagt hun aandeel maar liefst 70%, wat te danken is aan een aantal voordelen.

Hiertoe behoren: aanzienlijke opslagcapaciteit en besparing op investeringen in exploratie, aanleg van infrastructuur of een deel daarvan, en boren - op de locatie van dergelijke UGS werd al olie en gas gewonnen.

U moet begrijpen dat ingegraven gastanks geen ondergrondse opslag zijn. Ze zijn namelijk bedoeld voor heel andere doeleinden. Ze komen alleen onder de grond om de verdamping van vloeibaar gas bij strenge vorst efficiënter te maken, en zonder extra kosten. Bovendien bespaart de schijnbaar ondergrondse plaatsing van gastanks nuttige ruimte, bijvoorbeeld op een eigen terrein.

Maar de tanks die overblijven na de winning van koolwaterstoffen kunnen niet ideaal worden genoemd.

Ze hebben nogal wat nadelen:

• problemen met de afdichting van oude boorgaten – vooral bij voormalige olievelden;
• onvoldoende porositeit en doorlaatbaarheid van gesteenten;
• vermenging van gas met olieresten – wat soms tot aanzienlijke verliezen leidt omdat het resulterende mengsel niet meer kan worden gebruikt.

En bovendien bevat het gas op olievelden vaak een gevaarlijke verontreiniging in de vorm van waterstofsulfide. Dit is schadelijk voor de menselijke gezondheid en tast allerlei stalen constructies aan, zelfs roestvrijstalen.

Exploitatie van ondergrondse gasopslagen (OGO) gebaseerd op locaties van uitgeputte koolwaterstofreservoirs is mogelijk doordat het gas bij injectie de olieresten uit de gewenste laag verdringt. Bovendien heeft gas, net als water, het effect van samendrukbaarheid en mobiliteit, wat de inrichting van de opslag vergemakkelijkt. Soms wordt olie onder gasdruk niet in het gesteente geperst, maar stijgt naar boven, wat een extra bron van inkomsten wordt.

Optie #3 — reservoirs in steenzoutafzettingen

Dergelijke gasopslagen dienen voor het gladstrijken van dagelijkse en wekelijkse onregelmatigheden in het gebruik, en nemen ook deel aan het nivelleren van seizoensgebonden schommelingen. Bovendien vervullen opslagen in zoutlagen met succes de rol van reservebron voor belangrijke verbruikers.

Er bestaan slechts 2 veelgevraagde methoden om gas ondergronds op te slaan. Namelijk in doorlatende poreuze lagen en in holtes uitgespoeld in zoutafzettingen. De eerste optie wordt gebruikt wanneer een grote opslag nodig is, de tweede – alleen voor lokale taken.

Deze OGO's worden gecreëerd door een deel van de zoutafzettingen weg te spoelen om een holte van de gewenste grootte te maken. Hiertoe worden in eerste instantie meerdere boorgaten geboord, waarna gedurende een langere periode water wordt toegevoerd.

Hoewel de beschreven procedure langdurig en kostbaar is, betaalt zij zichzelf terug omdat de opslag van geïnjecteerd aardgas zonder verliezen verloopt. De reden is dat zoutgrotten luchtdicht zijn. Bovendien hebben ze het effect van zelfgenezing — tektonische en andere scheuren worden vrij snel bedekt met zoutafzettingen.

Het voordeel van dergelijke ondergrondse gasopslagen is dat de onttrekking van het benodigde volume brandstof vrijwel onbeperkt is in snelheid. Die is vele malen hoger dan bij dezelfde handelingen in andere soorten opslagen. Een belangrijk voordeel van OGO's in zoutgrotten is het hoge percentage gaswinning — een van de hoogste van alle typen.

Het gesteente voor gasopslag moet zijn zoals op de foto getoond. Dat wil zeggen doorlatend en voldoende ruimte hebben voor een groot volume brandstof. Bovendien moet de laagstructuur het mogelijk maken om water en olieresten gemakkelijk te verdringen.

Maar het aantal holtes in zoutlagen bedraagt niet meer dan 2% van het totale aantal opslagen.

Op deze indicator zijn een aantal negatieve punten van invloed:

• De aanwezigheid van enorme hoeveelheden zout water na het uitspoelen van de grotten voor gasopslag. Als gevolg daarvan, als er geen zee of ten minste zoutverwerkende fabrieken in de buurt zijn, is er geen plek om de vloeistof kwijt te raken. Dit is de belangrijkste reden voor het kleine aantal van dit soort OGO's.
• Vermindering van het nuttige volume tijdens de exploitatie. Dit fenomeen wordt veroorzaakt door verdamping van zout op plaatsen met hogere druk en ophoping waar de druk lager is.
• Het verschijnen van onzuiverheden in het gas, die vaak bestaan uit vloeistofresten die eerder zijn gebruikt om de grot uit te spoelen.
• Onbeduidende volumes, wat het niet mogelijk maakt om voldoende voorraden aan te leggen.

Als gevolg hiervan worden zoutopslagen meestal alleen gebruikt waar de bovengenoemde soorten containers niet kunnen worden toegepast.

Optie #4 — UGS in mijnwerken

Hun volumes zijn onbeduidend. Desalniettemin slaan de Zweden en Noren een deel van hun strategische gasvoorraden op in containers van dit type.

Ondergrondse gasopslag in mijnbouw is de enige gasopslag die volledig door de mens is ingericht. Zo wordt in een van de mijnen door middel van explosies een container gecreëerd, die vervolgens wordt bekleed met stalen platen.

Zo zien zoutcavernes eruit die worden gebruikt voor gasopslag. Ze zijn luchtdicht en betrouwbaar, maar hebben beperkte afmetingen, waardoor ze geschikt zijn voor het creëren van gasopslag van geringe omvang. Bovendien uitsluitend voor lokale taken. In Rusland zijn bijvoorbeeld van de 27 tegenwoordig gebruikte opslagplaatsen slechts 2 zoutcavernes.

Hoewel het exploiteren van gasopslag in verlaten mijnen voordelig is vanwege het hoge percentage en de snelheid van de onttrekking, zal hun aantal in de nabije toekomst niet significant toenemen. De reden is dat de beschreven opslagplaatsen moeilijk te bouwen zijn, omdat het niet altijd lukt om volledige dichtheid te bereiken, wat leidt tot aanzienlijke verliezen.

Dit gebeurt omdat bij de exploitatie van de mijn ernaar wordt gestreefd zoveel mogelijk lucht aan te voeren. Daartoe wordt een ventilatiesysteem gecreëerd met talrijke uitgangen naar de oppervlakte, die bij de inrichting van de opslag niet altijd kunnen worden afgedicht.

Als gevolg hiervan zijn er vandaag de dag slechts enkele succesvolle voorbeelden van de realisatie van het idee van gasopslag in verlaten mijnen (in Zweden, Noorwegen, Duitsland).

Zijn de opslagplaatsen luchtdicht?

Brandstoflekken komen vaak voor en zijn niet te voorkomen, omdat er te veel oorzaken zijn.

Gemakshalve worden ze onderverdeeld in 3 categorieën:

• geologische;
• technologische;
• technische.

Tot de groep geologische oorzaken behoren de heterogeniteit van de afsluitlagen van de gasopslag, de aanwezigheid van tektonische breuken, en de kenmerken van hydrodynamica en geochemie. Gas kan bijvoorbeeld gewoon door de laag migreren, en specialisten kunnen daar niets aan doen.

Technologische oorzaken komen het meest voor, omdat er regelmatig fouten worden gemaakt bij de beoordeling van feiten, zoals de effectiviteit van hydrovallen, gasvoorraden, en fysisch-chemische processen.

Vaak wordt er geboord om bij de gewenste lagen te komen. De technologie verschilt niet van vergelijkbare procedures bij het bereiken van gas- en olievoorraden.

Technische oorzaken houden meestal verband met de toestand van de gebruikte putten, waarmee gas wordt geïnjecteerd.

Kenmerken van het creëren van UGS

In 95% van de gevallen worden ondergrondse gasopslagen gecreëerd door middel van het uitdrijven van water en restanten olie uit poreuze lagen met gas. Op deze manier worden 'opslagruimten' voor 'blauwe' brandstof gecreëerd.

Het belangrijkste kenmerk is echter dat het gasvolume dat werd gebruikt voor het uitdrijven van vloeistoffen later niet kan worden gebruikt voor levering aan consumenten. De taak ervan is om te voorkomen dat water en restanten koolwaterstoffen terugkeren naar hun oude plaats. Anders zal de opslag gewoon ophouden te bestaan.

Dit gas is dus buffergas. Het bedraagt gewoonlijk niet minder dan de helft van het totale volume dat in de ondergrondse gasopslag is geïnjecteerd. In sommige gevallen is er drie keer zoveel buffergas als het gas dat kan worden gebruikt voor levering aan consumenten, dat actief gas wordt genoemd.

Het is interessant dat de hoeveelheid buffergas niet vooraf kan worden berekend. Dat wil zeggen, alles wordt uitsluitend experimenteel getest. In veel gevallen zijn hier jaren mee gemoeid. Maar wanneer het verkregen resultaat onbevredigend is, kan het buffergas volledig worden afgevoerd.

Procedure voor het vullen van de opslagplaats

Nadat geologen onderzoek hebben gedaan naar een bepaalde laag en hebben besloten dat op de gewenste locatie een gasopslag kan worden aangelegd, bouwen gasproducenten een technisch complex.

Moderne ondergrondse gasopslagen zijn de veiligste manier om gasvoorraden op te slaan. Maar de frequente lekkages vormen een groot probleem voor gasproducenten en ecologen, die dergelijke gevallen als een aanzienlijk probleem voor het milieu beschouwen. En soms gebeurt het zoals op de foto te zien is (in de verte is een brand te zien bij een van de Hongaarse ondergrondse gasopslagen).

En vervolgens begint de injectie van 'blauwe' brandstof in de toekomstige ondergrondse gasopslag, die wordt aangevoerd vanaf de dichtstbijzijnde hoofdleiding. En het komt op het reinigingsplatform waar allerlei mechanische onzuiverheden worden verwijderd.

De schone brandstof wordt naar het meet- en telpunt gevoerd. Daarna gaat het naar de compressorruimte, waar compressie plaatsvindt — zo wordt de voorbereiding van het gas voor injectie in de opslag genoemd. Het houdt in dat de gasdruk tot de gewenste waarde wordt verhoogd.

Vervolgens wordt het getransporteerd naar gasdistributiepunten. Waar de algemene stroom in meerdere stromen wordt verdeeld en naar verschillende proceslijnen gaat. Vanwaar het via leidingen naar de injectieputten wordt geleid voor injectie.

Gedurende het hele proces controleren specialisten een aantal parameters, waaronder de druk en temperatuur van het gas, en de productiviteit van elke put.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

De onderstaande videomateriaal is gewijd aan het onderwerp van het creëren van een ondergrondse gasopslag om het ongelijkmatige brandstofverbruik af te vlakken, dat zal worden geleverd door de gaspijpleiding 'Sila Siberië'.

Ondergrondse gasopslag is de meest betrouwbare en voordelige manier om ongelijkmatig gasverbruik te nivelleren en een stabiele aanvoer te garanderen bij overmacht. Het meest interessante is dat we dit niet aan menselijk vernuft te danken hebben, maar aan de natuur, die vooruitziend de geschikte gesteentelagen heeft gecreëerd.

Heeft u persoonlijk deelgenomen aan de aanleg van ondergrondse gasopslag en wilt u het bovenstaande materiaal aanvullen met nuttige informatie? Of heeft u inconsistenties in de feiten opgemerkt? Laat uw opmerkingen en reacties achter – het feedbackblok vindt u onder het artikel.