Герметичность объектов подземного хранения природного газа по данным почвенно-экологического мониторинга
УДК 622.691.24:504 Э.Б. Бухгалтер, д. т. н, профессор, e-mail: E_Bukhgalter@vniigaz.gazprom.ru, Б.О. Будников, к.г.н., e-mail: B_Budnikov@vniigaz.gazprom.ru , ООО «Газпром ВНИИГАЗ» Н.В. Можарова, к.б.н., e-mail: nvm47@list.ru С.А. Кулачкова, к.б.н., e-mail: kulachkova_sa@inbox.ru , МГУ им. М.В. Ломоносова
Например, на одном из газохранилищ за 30-летний период его эксплуатации, потери природного газа достигли 1,5 миллиардов м3 [1 - 3].Потери складываются из эмиссионных потоков и так называемых «скрытых стоков» природного газа из недр [4]. Учет этих потоков возможен с помощью системы почвенно-экологического мониторинга, разработанного авторами настоящей публикации. Предлагаемая система нововведений в области мониторинга герметичности подземных газохранилищ позволит выявить источники и пути диффузионно-конвективного переноса, ореолы рассеяния, бактериального окисления, утилизации, эмиссии в атмосферу неучтенного природного газа и модифицированных газов, твердофазные геохимические признаки трансформации почв под влиянием флюидов. Использование нескольких этапов экстраполяции позволяет выявить потери газов на государственных и мировых уровнях.
Почвенно-экологический мониторинг герметичности включает в себя этапы, перечисленные на рисунке 1, характеристика которых приводится ниже.
Первым этапом является анализ источников и транспорта аллохтонного и техногенно-аллохтонного метана. Возможные зоны миграции и рассеяния природного газа устанавливаются путем изучения особенностей геологических структур района подземного хранения газа по существующим
Рис. 1. Схема почвенно-экологического мониторинга на объектах подземного хранения природного газа
картам трещиноватости и математическим моделям опасных тектонических и геодинамических процессов. Природный газ удерживается глинистой покрышкой, но по имеющейся системе вертикальной и горизонтальной трещиноватости геологической толщи возникают диффузионно-конвективные потоки газа, которые устремляются к поверхности и достигают почвенного покрова (рис.2). Интенсивность потоков усиливается за счет возникновения деформаций по скважинам и кольматированным трещинам во время компрессий газа с превышениями давлений выше пластового [1]. На пути потоков газа встречаются водоносные слои, в которых происходит растворение природного газа. Утилизации метана и других газообразных углеводородов не происходит из-за отсутствия специфических микроорганизмов, способных их окислить [5]. Такие возможности возникают лишь в почвенном покрове. В этом смысле почвенный покров выступает в качестве вертикальной и горизонтальной мембраны, экранирующей и утилизирующей газообразные углеводороды [6, 7].
Рис. 2. Миграция природного газа от газовой залежи к дневной поверхности
Вторым этапом почвенно-экологического мониторинга объектов ПХГ является установление приповерхностных ореолов рассеяния углеводородов, природных и техногенных газовых аномалий путем проведения приповерхностной газо-геохимической съемки с качественным и количественным анализом свободного почвенного воздуха и обязательным выявлением содержания в нем метана и углекислого газа.
В процессе строительства подземных газохранилищ и использования истощенных газовых залежей для хранения природного газа в пористых структурах возникают и расширяются существующие газовые аномалии в геологической толще и почвах (рис. 3а). Образуются газовые аномалии различной сложности и контрастности: техногенные - промышленные зоны, грифоны, и природные - зоны трещиноватости геологических структур, выходы газоносных пород на поверхность. Содержание метана сильно варьирует по площади в зависимости от объемов газа в пласте, технических утечек, неравномерности поступления в различные типы почв. Техногенные аномалии характеризуются наибольшей концентрацией
Рис. 3. Картосхемы газовых и бактериальных аномалий над территорией подземного хранилища газа
метана и максимальной пространственной контрастностью проявления. В промышленной зоне наиболее высокие аномальные концентрации свободного метана наблюдаются в хемо-техноземах и хемоземах, находящихся в непосредственной близости к скважинам. Они связаны с утечками газа по межколонному и заколонному пространству скважины. По мере удаления от скважин в хемо-техно-почвах содержание метана падает и приближается к порогу аномальности. В зоне рассеяния концентрация метана снижается по сравнению с промышленной зоной, и зависит от объема газа в хранилище. При полной закачке (компрессии) природного газа в пласт-коллектор содержание метана на порядок превышает фоновые показатели, при малой закачке может приближаться к фоновому уровню.
Третьим этапом мониторинга является оценка депонирующих свойств почв и пород, их диффузионной проницаемости и удельной поверхности, пористости аэрации и общей пористости. Метан и другие углеводородные газы поступают в газовую фазу почв и взаимодействуют в 4-фазной почвенной системе - рассеиваются через систему порового пространства, депонируются с помощью механизма молекулярной сорбции и диффузионной проницаемости. Коэффициент диффузии метана в почвах зависит от соотношения пористости аэрации и общей пористости и граналуметрического состава, что выражается графической моделью. Диффузионная проницаемость почв влияет на эмиссию метана в атмосферу и активность бактериального окисления метана в почвах. Эмиссия метана в атмосферу при наличии источников его миграции из недр выражена при соотношении пор аэрации к общей порозности выше 0,6 и отсутствует ниже этой величины. Бактериальное окисление зависит от влажности, отношения пор аэрации к общей порозности и диффузионной проницаемости. Так, наибольшая активность на газоносной территории в дерново-подзолистой зоне наблюдается при влажности 10%, отношении пор аэрации к общей порозности 0,5-0,8%, диффузионной проницаемости более 0.01 см2/ сек.
Четвертым, центральным этапом почвенно-экологического мониторинга герметичности ПХГ является установление параметра интенсивности бактериального окисления метана, так называемого скрытого стока - первого компонента, позволяющего учесть потери метана. Этот показатель зависит от объемов закачки газа, гидротермических условий и особенностей почвенного покрова. Аномальные (в 2-3 раза выше фоновых) значения активности бактериального окисления метана выявляются в автоморфных хемо-техно-дерново-подзолистых почвах промышленной зоны и дерново-подзолистых почвах зоны рассеяния в сухие годы, как с нормальной, так и со сниженной закачкой (рис. 3б). При увеличении влажности почв в годы с повышенным количеством осадков активность бактериального окисления метана снижается в автоморфных почвах вследствие замедления диффузионного поступления газа в профиль почв, а в полугидроморфных – дополнительно за счет развития восстановительных условий, но все же превышает фоновые показатели. Окисление техногенно-аллохтонного метана слабо выражено или не выражено в гидроморфных почвах.
Активность бактериального окисления метана почвами динамична во времени (табл. 1). Весной окисления не происходит, летом оно максимально, в осенний период снижается.
При неполных циклах окисления метана, протекающих в условиях сниженных окислительно-восстановительных потенциалов, микробиологическая деструкция его в почвах приводит к формированию бактериоморфных субнанодисперсных магнитных оксидов железа – являющихся твердофазными следами геохимической деятельности. Окисление осуществляется кооперативным сообществом метанокисляющих и метилотрофных микроорганизмов, способных выделять ауксины, проводящих редукцию трехвалентного железа до двухвалентного. Это еще один признак, свидетельствующий об утечках метана на газоносной территории, и его выявление является пятым этапом мониторинга.
Недоокисление метана на биогеохимических барьерах также сопровождается его эмиссией в атмосферу.
Шестой этап почвенно-экологического мониторинга герметичности – это установление закономерностей эмиссии метана в атмосферу – второго показателя, который позволяет учесть потоки метана из недр. Величина эмиссии метана зависит от гидротермических условий и меняется по сезонам, а также в сухие и влажные годы (табл. 1). При увеличении компрессии газа в газохранилище соответственно увеличивается эмиссия метана в атмосферу.
Еще одним этапом мониторинга является оценка потоков углекислого газа из недр, как одного из газов, в который трансформируется метан при его преобразовании в почвах. Эмиссия углекислого газа в атмосферу происходит в результате полного цикла окисления метана. На газоносной территории она может превышать природные показатели.
Восьмым этапом мониторинга является подсчет массового баланса эмиссии и бактериального окисления метана, что разрешает вопрос суммарных потоков метана из недр (табл. 1). Для одного из подземных газохранилищ он показал, что в весенний и осенний периоды, как правило, эмиссия метана преобладает над процессами поглощения метана из атмосферы. В летний период поглощается столько же, сколько выделяется или больше, что наблюдалось в сухие годы с нормальной компрессией газа. Окисление в почвах - скрытый сток метана - значительно превышает его эмиссию в атмосферу. Подсчеты утечек метана из искусственных газовых залежей показывают, что почвенный покров задерживает от 6 до 10% метана из недр.
Проведенные исследования являются первым этапом на пути формирования системы мониторинга потерь метана при подземном хранении природного газа. По мере накопления полученных данных появится возможность оценить годовую эмиссию метана как от конкретных искусственных газовых залежей в пористых структурах, так и по отрасли в целом.
Литература
1. . Кузьмин Ю.О., Никонов А.И. Эколого-геодинамическая опасность подземных хранилищ газа // Информационное обеспечение и рациональное природопользование. М.: Единство, 2001. С. 163-171.
2. Никонов А.И. Роль геодинамических процессов в функционировании подземных хранилищ газа. Дис. канд. геолого-минералогических наук. М., 2003.
3. Бухгалтер Э.Б., Дедиков Е.В., Бухгалтер Л.Б., Хабаров А.В., Будников Б.О. Экология подземного хранения газа.М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002. 431 с.
4. Можарова Н.В. Инновационная система почвенно-экологического мониторинга герметичности объектов подземного хранения природного газа. // Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям. Тезисы доклада. М., 2008, с. 234-236.
5. Оборин А.А., Рубинштейн Л.М., Хмурчик В.Т., Чурилова Н.С. Концепция организованности подземной биосферы. Екатеринбург, УрО РАН, 2004. 147 с.
6. Можарова Н.В., Кулачкова С.А., Пронина В.В. Специфика функционирования почвенного покрова газоносных территорий // Вестник Московского Университета, сер. 17, почвоведение, 2005, № 3, с.9-19.
7. Mozharova N. V., Kulachkova S.A. Specificity of soil’s functioning and formation on gas-bearing areas // Journal of Soils and Sediments. Vol, № 8, 2008, № 6, pp. 434-432.
Ключевые слова:
почвенно-экологический мониторинг, герметичность, подземное хранение газа, бактериальное окисление метана, диффузия
