Table of Contents

Введение в хорошо завершенные запасы газа

Газохранилища являются критическим компонентом современной энергетической инфраструктуры, обеспечивая гибкость, необходимую для баланса сезонных колебаний спроса и предложения. Эти резервуары - часто истощенные нефтяные и газовые месторождения, солевые водоносные горизонты или соляные пещеры - требуют специально спроектированных скважин для безопасного и эффективного впрыска, хранения и извлечения природного газа. Завершение скважины, процесс подготовки буровой скважины для производства или впрыска, является основой, которая определяет конечную производительность, безопасность и экономическую жизнеспособность проекта хранения. За последнее десятилетие инновации в материалах, датчиках и системах управления скважинами преобразовали завершение скважины для хранения газа, позволяя операторам достигать более высоких скоростей потока, более длительного срока эксплуатации и более низких экологических рисков. В этой статье рассматриваются наиболее эффективные достижения и их практические преимущества.

Основы заполнения скважин газового хранения

Перед исследованием новых технологий важно понять основные цели завершения скважины для хранения. В отличие от производственных скважин, которые непрерывно вытекают из резервуара, скважины для хранения многократно циклизируются между режимами впрыска и производства, часто при дифференциалах высокого давления. Это циклическое напряжение требует надежной механической целостности и точной зональной изоляции. Типичное завершение состоит из цементированной нити корпуса, нити трубы для потока газа, предохранительных клапанов и упаковщиков, которые запечатывают аннулус между трубами и корпусом. Дополнительные компоненты могут включать раздвижные рукава, устройства управления притоком и постоянные датчики скважин для мониторинга давления и температуры.

Основные проблемы в завершении хранения газа включают: 1) предотвращение миграции газа через цементную оболочку или вокруг упаковщиков, 2) управление цикликой тепла и давления, которая ухудшает уплотнения с течением времени, 3) обеспечение контроля соответствия, чтобы газ входил и выходил из желаемых зон равномерно, и 4) обеспечение наблюдения в режиме реального времени для раннего обнаружения утечек или неисправностей оборудования.

Высокопрочные обсадные и передовые цементные системы

Next-Generation Кассирующие материалы

Традиционные корпуса из углеродистой стали подвержены коррозии во влажной, кислой среде газохранилищ. Сегодня операторы все чаще указывают коррозионностойкие сплавы (CRA), такие как 13% хромистой стали или дуплексные нержавеющие стали для производственных трубок и секций корпуса, подвергающихся воздействию водохранилищных жидкостей. Эти материалы обеспечивают превосходную устойчивость к сероводороду и диоксиду углерода, продлевая срок службы скважины от 15-20 лет до 30+ лет. Для проектов хранения под высоким давлением, таких как проекты в соляных пещерах, высококоллапсостойкие сорта (например, L80, C95 или T95) используются для выдерживания внешнего ползучего повара соли и циклической нагрузки. Выбор соответствующих марок стали стал стандартной частью конструкции завершения, руководствуясь передовым моделированием конечных элементов, которое имитирует десятилетия цикличности.

Продвинутые методы цементных смазок и размещения

Целостность цемента, возможно, является наиболее важным элементом завершения скважины хранения. Микроаннул между цементом и кожухом или цементом и образованием может стать каналом для миграции газа на поверхность или в мелкие водоносные горизонты. Недавние инновации в конструкции суспензии включают использование газонепроницаемых примесей, расширяемых цементов и самозаживляющихся добавок. Самовосстанавливающийся цемент содержит микрокапсулы или волокна, которые набухают при воздействии углеводородов, автоматически герметизируя любые трещины, которые образуются при циклическом напряжении. Также развивались методы размещения: пеноцементные суспензии уменьшают плотность и вес на слабых образованиях при сохранении отличной зональной изоляции. A бумага SPE 2020 года продемонстрировала, что пеноцемент с 50% азотной фракцией устраняет устойчивое давление корпуса в восьми из десяти скважин хранения в Аппалачском бассейне. Операторы теперь регулярно используют бревна цементных связей в сочетании с ультразвуковой визуализацией

Интеллектуальные системы комплектации для управления в реальном времени

Интеллектуальные (или «умные») скважины перешли из сферы глубоководного производства в приложения для хранения газа. Эти системы объединяют датчики скважин, клапаны управления потоком и сбор данных о поверхности в единую платформу, которая позволяет осуществлять удаленный мониторинг и регулировку скорости впрыска или вывода каждой зоны.

Постоянный мониторинг скважин

Современные калибровочные пакеты измеряют давление, температуру и в некоторых случаях состав жидкости на песчаной поверхности. Датчики на основе кварца обеспечивают точность в пределах 0,01 пси, позволяя операторам обнаруживать незначительные изменения, которые могут указывать на перекрестный поток или начальное конусное отверстие. Волоконно-оптические распределенные температурные датчики (DTS) и распределенные акустические датчики (DAS) предлагают непрерывные профили вдоль всего ствола скважины. Для резервуаров для хранения DTS могут идентифицировать фронты впрыска газа, когда они проходят через образование, в то время как DAS улавливает звуковые сигнатуры потока газа через перфорации и раздвижные рукава. Тематическое исследование в техасском газохранилище показало, что данные DTS позволили операторам идентифицировать утечку упаковщика в течение 24 часов, предотвращая примерно 500 мкф потери газа в день.

Сквозные клапаны для контроля потока

Гидравлические, электрические или гибридные электрогидравлические клапаны управления потоком теперь позволяют избирательно задыхаться отдельными зонами. Во время инъекции эти клапаны могут быть открыты только в слоях с самой высокой инъекцией, в то время как во время вывода они отдают приоритет зонам с лучшей производительностью. Эта способность значительно повышает эффективность зачистки и снижает риск «зон воров», которые в противном случае сократили бы цикл хранения. В месторождении песчаника Маунт-Симон в Иллинойсе операторы оборудовали три новые скважины с интервальными клапанами управления и сообщили о 22% увеличении рабочей мощности газа по сравнению с обычно завершенными смещенными скважинами.

Журнал нефтяных технологий регулярно освещает достижения в области интеллектуальных разработок, отмечая, что стоимость этих систем снизилась примерно на 40% за последние пять лет, что делает их экономически жизнеспособными для проектов по хранению газа на суше с по меньшей мере 5 Bcf работающего газа.

Многосторонние и горизонтальные скважины

В то время как горизонтальные скважины являются обычным явлением в производстве, их применение в газохранилище является относительно новым. Бурение горизонтально через интервал хранения подвергает резервуар гораздо большей площади поверхности, что позволяет повысить скорость впрыска и вывода с более низким просадкой. Это уменьшает количество скважин, необходимых для данного месторождения хранения, уменьшая площадь поверхности и общие капитальные затраты.

Целостность соединения для многосторонних скважин

Многосторонняя скважина использует один основной скважинный и несколько боковых ветвей, которые пересекают зону хранения в нескольких точках. Механическая и гидравлическая целостность развязки, где боковая встречает основной скважину, исторически ограничивала их использование в условиях циклического хранения. Новые системы развязки используют предустановленные рукава, уплотнительные стеки и внешние упаковщики корпуса для обеспечения герметичных соединений. Baker Hughes и Halliburton теперь предлагают переходы «TAML Level 5» с номинальной мощностью 10 000 пси дифференциал и способны выдерживать тысячи циклов инъекций / производства. В пилотном проекте на хранилище соляной каверны Eminence Dome в Миссисипи двухстороннее завершение продемонстрировало 30% увеличение емкости инъекций на скважину при сохранении полной газовой герметизации.

Горизонтальные боковые отверстия также могут быть пробурены с несколькими трещинами для доступа к зонам хранения с низкой проницаемостью, аналогичным методам, используемым в разработке сланцевого газа. Однако требуется тщательная конструкция трещины, чтобы избежать соединения с близлежащими разломами или водоносными горизонтами. Операторы используют микросейсмический мониторинг во время разрыва, чтобы обеспечить стимулированный объем в пределах предполагаемого интервала хранения.

Усовершенствованная зональная изоляция с продвинутыми упаковщиками

Надежность упаковщиков является постоянной проблемой в хранении газа из-за перепадов температуры до 80 ° F в течение одного сезонного цикла и дифференциальных давлений, превышающих 5000 пси. Традиционные эластомерные упаковщики могут ухудшаться или терять целостность уплотнения в этих условиях. Недавние инновации включают в себя уплотнительные упаковщики из металла, которые используют закрученный металлический конус для холодного образования газонепроницаемого уплотнения против стенки корпуса. Эти упаковщики не имеют компонентов эластомера для деградации, предлагая долговечность, которая соответствует сроку службы скважины. Набухающие упаковщики, которые реагируют с рассолом резервуара или газом, также были улучшены с более быстрым временем набухания и более высокими показателями давления. Для высокотемпературного хранения в истощенных полях операторы обращаются к композиционным упаковщикам, которые сочетают металлический антиэкструзионный барьер с высококачественным фторополимерным уплотнительным элементом, обеспечивая безутечку производительности в течение 25

В техническом отчете Министерства энергетики США за 2022 год (), доступном здесь , подчеркивается, что внедрение металлических расширяемых упаковщиков на шести калифорнийских газовых месторождениях сократило выбросы парниковых газов примерно на 40 000 метрических тонн эквивалента CO2 в год, в первую очередь за счет устранения утечек через упаковочные уплотнения.

Автоматизированный мониторинг целостности скважин и цифровые близнецы

Наиболее преобразующей инновацией в завершении скважины является интеграция технологии цифровых двойников с автоматизированным мониторингом целостности. Цифровой двойник - это динамическая, основанная на физике модель скважины, которая получает данные в реальном времени от датчиков скважины и имитирует механическое поведение корпуса, цемента, упаковщиков и трубок под циклическими нагрузками. Алгоритмы машинного обучения сравнивают фактические измерения с прогнозами близнецов, помечая любое отклонение, которое может указывать на развивающуюся утечку, коррозию или отказ уплотнения.

Операторы терминала хранения сжиженного природного газа (СПГ) в Cove Point, штат Мэриленд, развернули цифровой двойник для шести существующих скважин хранения. Система постоянно анализировала испытания на повышение давления, тепловые градиенты и данные о деформации из волоконно-оптических кабелей. В течение первого года работы двойник обнаружил локализованное истончение стенки трубки в одной скважине - предшественник потенциального разрыва - что позволило оператору запланировать переработку до того, как произойдет какой-либо выброс газа. Shell и Repsol опубликовали статьи, описывающие аналогичные реализации в европейских месторождениях хранения, сообщая о сокращении затрат на техническое обслуживание на 15-25% и 50% сокращение потерь времени, связанных с вмешательствами скважин.

Тенденция к автоматизации распространяется на сам колодец. Роботизированные инспекционные транспортные средства с использованием электромагнитных или ультразвуковых датчиков теперь могут входить в линии потока и область скважины для измерения толщины стенок, обнаружения волдырей водорода и выявления утечек. Эти роботы работают, пока скважина находится в эксплуатации, устраняя необходимость в дорогостоящих затворах для проверки целостности.

Экологические и нормативные преимущества

Более плотные скважины непосредственно снижают интенсивность выбросов газового хранилища. Утечки метана из скважин хранения являются значительным фактором выбросов нефти и газового метана вверх по течению - Программа отчетности по парниковым газам EPA США показывает, что примерно 0,2% накопленного газа выбрасывается ежегодно, цифра, которую операторы стремятся сократить вдвое за счет улучшенных завершений. Инновации, такие как самовосстанавливающийся цемент и обнаружение утечек в режиме реального времени, играют важную роль в достижении этой цели. Кроме того, расширенные завершения позволяют хранить в более геологически сложных резервуарах, таких как глубокие солевые водоносные горизонты или истощенные образования со сложными дефектами, тем самым расширяя имеющиеся емкости хранения, необходимые для размещения переменных возобновляемых источников энергии.

Регулирующие органы, такие как Управление по безопасности трубопроводов и опасных материалов (PHMSA) в США и аналогичные агентства в Европе, обновляют свои правила целостности газовых скважин. Новые правила PHMSA (вступившие в силу в 2022 году) требуют ежегодных испытаний механической целостности для всех скважин хранения, и операторы, которые внедрили непрерывный мониторинг посредством интеллектуальных завершений, могут подать заявку на отказы для продления испытательного интервала. Этот регулятор ускоряет внедрение технологий, описанных выше.

Тематические исследования, демонстрирующие влияние реального мира

Вайоминг истощенный конверсия поля

Оператор на юго-западе Вайоминга превратил месторождение с обедненным газом с 30 существующими вертикальными скважинами в хранилище. В первоначальных завершениях 1970-х годов использовались однострунные упаковщики и корпус из углеродистой стали. Для соответствия современным стандартам целостности оператор отодвинул пять скважин и установил интеллектуальные завершения с металлическими расширяемыми упаковщиками, волоконно-оптической DTS и клапанами управления интервалом. За три года обновленные скважины достигли на 35% более высокой скорости впрыска и 50% снижения незапланированных отключений по сравнению с оставшимися старыми скважинами. Проект был признан наградой E&P Meritorious Award за инновации 2023 года.

Соляная пещера в Европе

На хранилище пещеры Эпе в Германии оператор Uniper развернул многоступенчатую достройку с 7-дюймовым производственным корпусом и 4,5-дюймовой контрольной трубкой. Каждая ступень была оборудована извлекаемой мостовой пробкой и раздвижным рукавом, работающим через трубку катушки. Система позволяла избирательно выщелачивать несколько уровней пещеры из одного скважинного скважины, увеличивая емкость хранения на 12% без бурения дополнительных скважин. Проект продемонстрировал, что многосторонние доработки могут быть адаптированы к соляным пещерам, несмотря на уникальные требования выщелачивания и солевого ползунка.

Будущий прогноз и новые технологии

Заглядывая вперед, несколько новых технологий обещают дальнейшее усовершенствование заполнения скважин для хранения газа. Одна из них - использование растворимых материалов - заглушки, шарики и рукава из магния или полимерных сплавов, которые разрушаются при контакте с рассолом или кислотой - устраняет необходимость в операциях фрезерования после гидравлического разрыва или зональной изоляции. Другая - интеграция батареек скважины или сбора энергии от геотермальных градиентов до питания интеллектуальных устройств завершения для всего их срока службы конструкции без вмешательства. Кроме того, ожидается, что применение искусственного интеллекта для моделей прогностической целостности станет стандартом; модель ИИ, обученная на тысячах скважин хранения, может предсказать деградацию упаковщика за шесть месяцев до того, как это приведет к сбою, что позволяет проактивную замену во время запланированных отключений. Наконец, отчет МЭА 2023 года подчеркивает, что хранение газа должно будет играть большую роль в балансировке сеток с высокой переменной возобновляемой генерацией, и завершение скважин должно стать еще более гибким для обработки быстрых впрысков / выводов пандусов.

Таким образом, инновации в области завершения скважин для резервуаров для хранения газа обеспечивают измеримые улучшения в емкости, надежности, безопасности и экологических характеристиках. От передовых материалов и интеллектуальных механизмов управления скважинами до цифровых двойников и роботизированного контроля, каждая технология способствует более устойчивой и эффективной системе хранения. По мере развития энергетических систем и природного газа остается ключевым топливом моста, инвестиции в эти инновации завершения скважин будут иметь важное значение для достижения как экономических, так и климатических целей.