Система мониторинга Калининградского подземного хранилища газа

В современных условиях повышения интенсивности потребления энергоносителей, а также ответственности за перебои в поставках природного газа потребителям возрастает значение подземных хранилищ газа (ПХГ). ПХГ являются неотъемлемой частью Единой системы газоснабжения России, поддерживая надёжность ее функционирования. Назначением ПХГ является обеспечение бесперебойных по- газотранспортной сети (резервные ПГХ), обеспечивают хранение стратегически важных резервов природного газа, являясь важным фактором повышения энергетической безопасности страны и регионов [1, 2].

Одним из рациональных способов удовлетворения пикового спроса является хранение газа в ПХГ, сооружаемых в отложениях каменной соли, как на Калининградском ПХГ,

ставок природного газа отечественным и зарубежным потребителям за счет сглаживания пиковых нагрузок в потреблении газа из-за резких колебаний температуры. Кроме того, ПХГ компенсируют перебои в поставках газа при авариях и других непредвиденных обстоятельствах в первая очередь которого запущена в эксплуатацию в сентябре 2013 года. В то же время строительство Калининградского ПХГ продолжается, и в течение 5^-7 лет планируется запустить объект на полную мощность.

'Нордин Виктор Владимирович, кандидат технических наук, доцент БФУ, тел.: (4012)338284, e-mail: nordin@gazinter. net; VNordin@kantiana. ru;

Когда все 14 резервуаров заработают, количество газа в них сможет не только обеспечить безопасность области в аварийных ситуациях, но и позволит Калининградскому ПХГ служить самостоятельным поставщиком природного газа, направляя потребителям до 12 млн. куб. м газа в сутки (при сегодняшнем среднесуточном потреблении газа в регионе — 5,9 млн. куб.м).

Проблемы функционирования ПХГ

Технологические показатели и требования, предъявляемые к охране окружающей среды, к устойчивости и герметичности, а также своевременность выполнения работ по ремонту основного и инфраструктурного оборудования ПХГ, строго регламентируются нормативными документами [3-5].

Утечка части хранимого газа, имеющая место в процессе эксплуатации ПХГ, кроме прямых экономических потерь, является одним из самых вредных воздействий на окружающую среду. Размеры утечек зависят от геологофизических условий объекта ПХГ, динамических условий эксплуатации, технического состояния скважин и многого другого. К нарушениям герметичности хранилищ приводят геологические, технические и технологические причины [4]. К первым можно отнести наличие тектонических разломов, неоднородность покрышки хранилища (например, включение линз песка в глиняном слое), особенности подзем ной гидродинамики и геохимии (например, растворение газа в подземных водах и миграция газа по пластам пород и др.). На это персонал ПХГ никак повлиять не может.

Технические причины связаны в основном с состоянием скважин, (негерметичность колонных оголовков, дефекты эксплуатационных колонн и пр.). К технологическим причинам, вызывающим перетоки газа из хранилища, относят ошибки при оценке эффективности гидро- и газоупоров ловушки, рабочего объема хранилища и запасов газа, отклонения от технологического режима, и физико-химических процессов в самой залежи. Всё это может привести к переполнению хранилища и утечке газа.

Объектами разных видов контроля и наблюдений при эксплуатации ПХГ являются:

• •    подземные полости хранилища;

• •    водоносные горизонты вокруг полостей;

• •    дневная поверхность в границах горного отвода ПХГ.

Из анализа многих регламентных документов, научно-производственной литературы и справочников следует, что основные проблемы ПХГ связаны с обеспечением безопасности эксплуатации [6], связь которой с влияющими факторами отобразим в виде причинноследственной диаграммы [7] (рис.1).

Рисунок 1. Причинно-следственная диаграмма безопасности эксплуатации НГХ

Влияющие на безопасность эксплуатации факторы: фактор 1 — ответственность руководства; фактор 2 - требования к персоналу; фактор 3 - мониторинг окружающей среды; фактор 4 — контроль технологических процессов и технического состояния элементов; фактор 5 — строгая регламентация контрольных операций.

Сравнение перечисленных факторов по методу экспертных оценок с помощью матриц предпочтительности [7] с точки зрения их зна чимости для обеспечения безопасности эксплуатации ПХГ показало, что мониторинг окружающей среды среди факторов занимает лидирующее положение. Другие факторы также связаны с необходимостью получения всеобъемлющей информации о работе ПХГ.

Как показывает мировой опыт, решению этой проблемы в значительной степени будет способствовать создание и функционирование системы менеджмента качества (СМК) на НГХ в соответствии с международными стандартами серии ISO 9000 и ISO 14001 [8]. При этом сертификация СМК должна быть осуществлена независимыми международными организациями, поскольку российская сертификация де-факто в мире не признается, в чем виноваты мы сами [9].

Особенности мониторинга процессов и окружающей среды при эксплуатации ПХГ

На основании анализа многих нормативных документов нефтегазовой отрасли представим структуру мониторинга процессов, объектов и окружающей среды при эксплуатации ПХГ (рис. 2).

Рисунок 2. Структура мониторинга при эксплуатации нгх

Объектами мониторинга являются:

• -    объект хранения газа;

• -    контрольные горизонты;

• -    эксплуатационные, наблюдательные, контрольные, поглотительные, геофизические скважины;

• -    оборудование;

• -    окружающая среда.

К контролируемым параметрам относятся:

• -    объем газа;

• -    объем пластовой жидкости, добываемой при отборе газа;

• -    суточная производительность эксплуатационных скважин и хранилища в целом;

• -    состав газа, точка росы;

• -    пластовое давление в объекте хранения (в газоносной и водоносной зоне);

• -    уровни и давления в контрольных горизонтах;

• -    давление и температура в технологической линии;

• -    межколонное давление и межколонный расход газа по скважинам;

• -    содержание растворенного газа;

• -    герметичность ПХГ и скважин;

• -    техническое состояние оборудования;

• -    вместимость резервуаров;

• -    уровни шума оборудования и др.

Для осуществления мониторинга на ПХГ применяют гидрохимические, геофизические, промысловые и аналитические методы. При необходимости возможно применение дополнительных методов исследований.

Периодичность контроля за объектами ПХГ и их параметрами значительно различается [3], например:

• —    учет количества закачиваемого и отбираемого газа - ежесуточно;

• -    баланс газа по ПХГ и эксплуатационным скважинам — ежемесячно;

• —    контроль за товарным качеством газа — ежемесячно;

• —    контроль за техническим состоянием скважин — ежемесячно в летний период;

• —    контроль состояния питьевых горизонтов - раз в квартал;

• —    эколого-геохимические исследования — раз в три года и т.д.

Представим структурную формулу цикла мониторинга «С Д М К Г» (рис. 3).

Рисунок 3. Структура годового цикла мониторинга объектов НГХ

На рис. 3 обозначены объекты с соответствующей периодичностью контроля: А — суточной; В — декадной; Е — месячной; Г — квартальной; G - годовой.

Наземное оборудование скважин в процессе эксплуатации должно находиться под постоянным контролем операторов эксплуатационной службы. Во время профилактических осмотров особое внимание следует уделять утечкам газа через фланцевые, резьбовые и сварные соединения, сальниковые уплотнения запорной арматуры, межколонным давлениям. При обнаружении неисправностей и пропусков газа скважины должны быть немедленно перекрыты и приняты меры по замене неисправных узлов и деталей или передаче скважины в ремонт. Периодичность обхода должна устанавливаться руководством предприятия.

Техническое обследование подземных стальных газопроводов должно производиться: при продолжительности эксплуатации их до 25 лет - не реже 1 раза в 5 лет, при продолжительности эксплуатации более 25 лет — не реже 1

раза в 3 года. Газопроводы, включенные в план капремонта или замены, должны обследоваться не реже 1 раза в год.

Базовое и периодическое техническое диагностирование (ТД) скважин ПХГ должно включать:

• а)    анализ имеющейся технической документации на скважину;

• б)    анализ условий и режимов эксплуатации скважины;

• в)    техническое диагностирование обсадных колонн и заколонного пространства скважин;

• г)    определение остаточной прочности обсадных колонн;

• д)    составление заключения о техническом состоянии объектов диагностирования.

Так как в современных условиях при мониторинге и измерении используют компьютерные программные средства, их способность должна удовлетворять всем требованиям применения для столь сложного объекта, как реальный производственный процесс.

Обработка результатов мониторинга и контроля на основе квалиметрического подхода

Многие исследователи, например [10], отмечают, что любой процесс СМК может быть оценен по следующим группам характеристик:

• •    Результативность процесса: вероятность достижения запланированного результата. Поскольку упоминается вероятность, очевидно, что при этом проявляются и риски.

• •    Эффективность процесса: отношение затрат на выполнение процесса к полученному полезному результату, а также время, затраченное на процесс.

• •    Дополнительные характеристики процесса: воздействие на окружающую среду, потенциальные риски для персонала, непрогнозируемые выходы оборудования из работоспособного состояния, техногенные катастрофы и др.

Цель реализации процесса, кроме того, что определяет алгоритм анализа, влияет на вид показателей и их назначение. Так, например, для акционеров будут важны стоимостные показатели, для общества — экологические показатели, для персонала - показатели профессиональной безопасности.

С ценностью процесса связана тщательность и сложность мониторинга и применяемого измерительного оборудования.

Метод (технология) процесса, в первую очередь, определяет место и время измерительных и контрольных операций в процессе.

Требования к процессу и его результату влияют на точность и методику измерений.

Основные факторы, влияющие на достижение результатов процессов СМК в ПХГ, и соответствующие показатели представлены в табл.1.

Таблица 1 — Факторы и показатели риска для ПХГ _______________________________

ФАКТОРЫ РИСКА	ПОКАЗАТЕЛИ
Персонал	Компетентность персонала (образование, подготовка, навыки, опыт)
Оборудование, программное обеспечение	Техническое состояние, режимы и параметры работы оборудования (программного обеспечения)
Внешняя среда	Атмосферные и природные условия, законодательство, политические и экономические условия, социальное окружение
Материалы, инфраструктура	Характеристики материалов и инфраструктурного обеспечения
Управляющие воздействия	Планирование, алгоритм действий, коррективы, контроль (PDCA-цикл)

Предложенный алгоритм анализа процессов показывает администрации НГХ направление, по которому целесообразно проводить анализ.

Эксплуатация ПХГ осуществляется посредством многих процессов, а ее мониторинг и контроль включают в себя множество показателей (табл. 2).

В табл. 2 из регламентирующих документов приведены основные показатели, которые нужно контролировать в процессе мониторинга, разделенные на четыре группы по основным процессам.

Учитывая сложность и многофакторность эксплуатации ПХГ, а также то, что стандарты серии ISO 9000 требуют базирования принимаемых решений на фактах, т.е. на измерениях, целесообразно для обработки и анализа результатов мониторинга использовать квали-метрический подход. Его аналитическая сущность приведена в [7, 11, 12].

Единичный уровень для двухстороннего показателя q,= 1 - |(Р, - РД! 0,5 Т„             (1)

где: Р, — i- й единичный показатель (характеристика) оцениваемого объекта (процесса), характеризующий какое-либо одно его свойство; Рб, — номинальное (базовое) значение /- го единичного показателя; Т, — допуск z'-го единичного показателя, равный разности верхнего и нижнего предельно допустимых значений.

Таблица 2 — Основные показатели эксплуатации ПХГ

Показатели	о а х 45 К $ 5 S ч s £ t- 2 ч у ч Ч О ет ч	Тип показателя
7. Закачка газа в ПХГ
1.1. Давление нагнетания, МПа	16 - 20	двухсторонний
1.2. Количество вводимого одоранта, г/1000 mj	10 - 30	двухсторонний
1.3. Скорость течения газа, м/с	30 -35	двухсторонний
1.4. Предельное содержание механических примесей, mt/mj	3	односторонний
1.5. Предельное содержание влаги, mt/mj	6	односторонний
2. Хранение газа в ПХГ
2.1. Максимальная суточная расчетная утечка, mj	0,02	односторонний
2.2. Максимальное снижение давления опрессовки за 30 минут, МПа	0,5	односторонний
2.3. Давление газа в полостях ПХГ	15 - 17,2	двухсторонний
2.4. Температура точки росы, °C	-10-8	двухсторонний
3. Отбор газа из ПХГ
3.1. Снижение давления при отборе газа, МПа/ч	0,30,5	двухсторонний
3.2. Давление газа на входе в магистраль, МПа	4 - 10	двухсторонний
3.3. Скорость истечения газа, м/с	30 -35	двухсторонний
3.4. Калорийность газа, Ккал/м^	7800 -8500	двухсторонний
4. Воздействие на окружающую среду
4.1. Предельное содержание нерастворимой взвеси в откачиваемом рассоле, мг/л	10	односторонний
4.2. Предельная концентрация вредных веществ в воде, мг/л	0,05	односторонний
4.3. Предельное фоновое загрязнение воздуха, mt/mj	0,5	односторонний
4.4. Сумма отношений фактических концентраций вредных веществ в воздухе к их ПДК	1,0	односторонний
4.5. Допустимый уровень шума, дБ	80	односторонний

При одностороннем ассиметричном допуске показателей по аналогии получим '               ^=1-|(Л-Рб;)|/Д, (2)

Весомости (значимости) единичных показателей целесообразно устанавливать экс пертным методом. При этом должны выполняться следующие соотношения:

О <  пр < 1; 51 гл, = 1. (3)

При невозможности использования экспертного метода можно использовать следующую формулу, вытекающую из вероятностного подхода, пр = qj^qi . (4)

Исключая прямое влияние количества единичных показателей на весомости их уровней и, приводя последние к более удобному виду, введем коэффициенты участия:

у, = пр / т_Й = п пр , (5)

Комплексный показатель (критерий) эффективности объекта (процесса), для которого недопустим выход любого из единичных показателей за пределы допуска, целесообразно рассчитывать посредством геометрического суммирования с учетом коэффициентов участия:

к = [П?(^)]1/-, (б) где П — знак произведения.

Если в общей оценке объекта допустимо иметь единичные показатели с низким значением (или даже с нулевым), то комплексный показатель эффективности целесообразно определять по следующей формуле:

K-[VnB(№)!]1,Z. (7)

В третьем столбце табл. 2 указан тип показателей, при этом для расчета единичных уровней двухсторонних показателей должна использоваться формула (1), а для односторонних — формула (2). Для демонстрации методики зададим измеренные значения основных показателей.

Расчет по формуле (6) комплексных показателей четырех процессов ПХГ, упомянутых в табл. 2., по значениям измеренных единичных показателей дал следующие значения:

К, = 0,714; К2 = 0,853; К3 = 0,775; К4 = 0,671.

Комплексный уровень (критерий эффективности) по всем четырем основным процессам по формуле (6) будет: К = 0,747.

Предполагая, что для успешной работы ПХГ недопустимо снижение комплексного показателя ниже значения, равного 0,7, тем не менее, необходимо предпринимать меры для недопущения снижения уровня качества менее 0,7 и для каждого из четырех основных процессов при эксплуатации. Для возможности автоматизации сигнала о необходимости принятия мер, в компьютеризированной системе управления следует предусмотреть построение сигнальных зависимостей с предельно допустимыми значениями показателей (рис. 4).

Из рис. 4 следует, что целесообразно уделить внимание процессу «Воздействие на окружающую среду», для которого нужно за- просить анализ у системы управления и расчет критерия эффективности.

к

0,9

0,8

0,7

0,3

0   12   3   4

Процессы на ПХГ

Рисунок 4. Значения комплексных показателей по основным процессам при эксплуатации ПХГ

Заключение

Подземные хранилища позволяют гарантированно обеспечивать потребителей природным газом независимо от времени года, колебаний температуры, форс-мажорных обстоятельств. Сеть ПХГ обеспечивает в отопительный период свыше 20% поставок газа российским потребителям. А в дни резких похолоданий подземные хранилища дают более 30 % газа, потребляемого на территории России.

В соответствии с ведомственными документами при эксплуатации ПХГ необходимо строго соблюдать нормативные технологические показатели и, особенно, требования, предъявляемые к охране окружающей среды. Должен соблюдаться регламент по обследованию и ремонту скважин подземных резервуаров, а также машин и оборудования. Из анализа многих регламентных документов, научнопроизводственной литературы и справочников следует, что основные проблемы ПХГ связаны с обеспечением безопасности эксплуатации. Выявлено, что мониторинг окружающей среды среди факторов занимает лидирующее положение. Другие факторы также связаны с необходимостью получения всеобъемлющей информации о работе ПХГ. Как показывает мировой опыт, решению этой проблемы в значительной степени будет способствовать создание и функционирование системы менеджмента качества (СМК) на НГХ в соответствии с международными стандартами серии ISO 9000 и ISO 14001.

Представлена структура мониторинга, включающая объекты, параметры, методы, периодичность и корректирующие методы, на основании которой составлена структурная формула цикла мониторинга для ПХГ — «С Д М К Г». Систему мониторинга целесообразно создавать в соответствии с процессным подходом, являющимся одним из базовых принципов ISO 9000, что позволяет представлять работу ПХГ как цепь взаимосвязанных основных процессов.

В связи с тем, что эксплуатация ПХГ осуществляется посредством многих процес сов, а мониторинг и контроль включают в себя множество показателей, для обработки их результатов целесообразно применять квалимет-рический подход, который находит все большее применение в разных областях. Автоматизированная система фиксации и демонстрации результатов мониторинга и контроля позволит наглядно видеть картину эффективности процессов эксплуатации Калининградского ПХГ и быстро реагировать на любые несоответствия.