An attempt to asses suitability of Middle-Poland salt domes for natural gas storage

• Autorzy: Ślizowski J. , Urbańczyk K.

Warianty tytułu

PL

Ocena przydatności środkowopolskich wysadów solnych do magazynowania gazu ziemnego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of the paper is to assess geological conditions in Middle-Poland salt domes and their suitability for natural gas storage. The starting point to the assessment were statistical distributions of caverns depth and volume in Mogilno CUGS. The distributions were generalized to other domes using the part of anticline forms in the salt mirror surface. The expected average cavern volumes, depths with their standard deviations are evaluated. Storing capacity of the caverns and the risk of a borehole unsuitable for cavern location are also given.

PL

Artykuł jest próbą oceny możliwego zróżnicowania pojemności magazynowej kawern w wysadach solnych okręgu środkowopolskiego, których lokalizację przedstawia rys. 1, na podstawie ich budowy geologicznej oraz danych uzyskanych podczas projektowania i eksploatacji KPMG Mogilno. W pierwszej kolejności określono potencjalne objętości maksymalne kawern w wysadach solnych ograniczone jedynie warunkami geomechanicznymi i ługowniczymi. Stwierdzono, że w takim przypadku objętość kawern określona wzorem (1) mogłaby przekraczać 1 mln m3. Objętości zaprojektowanych do chwili obecnej 15 kawern były mniejsze w niektórych przypadkach nawet kilkakrotnie z przyczyn geologicznych oraz błędów technologicznych i technicznych. Pojemność magazynowa kawern zależy również od głębokości ich posadowienia oraz ograniczeń technologicznych na wartości minimalnego i maksymalnego ciśnienia magazynowania. Z przeprowadzonej analizy (rys. 2 i 3) wynika, że optymalna głębokość środka kawerny, przy której pojemność jest największa wynosi od 1150 m p.p.t. przy dużej konwergencji do 1350 m p.p.t. przy konwergencji dwukrotnie niższej. Zlokalizowanie komory na głębokości optymalnej rzadko jednak będzie możliwe w rozpatrywanych wysadach ze względu na możliwość występowania w interesującym interwale głębokości warstw nienadających się do ługowania komory. Mogą to być warstwy soli magnezowo-potasowych, soli ilastych (zubrów) oraz anhydrytu. Kolejną część pracy stanowi statystyczna analiza głębokości posadowienia i objętości komór w KPMG Mogilno, przedstawionych na rys. 4. Na podstawie tych danych sporządzono histogram, określający prawdopodobieństwo ulokowania komory na danej głębokości a następnie do otrzymanego histogramu dopasowano rozkład trapezowy o gęstości prawdopodobieństwa wyrażonej wzorem (3). Parametry a, b, c, d otrzymanego rozkładu oraz jego wartość oczekiwaną μ i odchylenie standardowe σ zawiera tabela 1, zamieszczona w rozdziale czwartym. Uzyskana wartość oczekiwana niewiele odbiega od optymalnej głębokości posadowienia kawerny w przypadku wysokiej wartości konwergencji. Drugą analizowaną wielkością była objętość analizowanych kawern, która mieści się w przedziale 182 tys. m3 do 562 tys. m3. Na podstawie rzeczywistych danych objętości komór określono empiryczną gęstość rozkładu prawdopodobieństwa możliwości wyługowania kawerny o danej objętości w danym otworze do którego dopasowano rozkład trójkątny, o gęstości prawdopodobieństwa wyrażonej wzorem (6) otrzymując wartość oczekiwaną 349,7 m3, zaś odchylenie standardowe 114,9 m3. Dystrybuantę rozkładu oznaczającą prawdopodobieństwo wyługowania komory nie mniejszej niż dana wartość przedstawia rysunek 6. Zasadniczym celem pracy jest uogólnienie danych z KPMG Mogilno na inne wysady, które różnią się głębokością położenia zwierciadła solnego i procentowym udziałem warstw nadających się do wyługowania komory. W wysadach solnych okręgu środkowopolskiego występują sole powstałe w czterech cyklotemach cechsztynu PZ1, PZ2, PZ3 i PZ4 w skład których wchodzą odpowiednio sole najstarsze, starsze, młodsze i najmłodsze. Dodatkowo w każdym cyklotemie występuje anhydryt, w cylotemach PZ3 i PZ4 duże ilości soli ilastych (zubrów brunatnych i czerwonych), w cyklotemach PZ2 i PZ3 sole magnezowo-potasowe, a w cyklotemie PZ1 skały wapienne. Do lokowania kawern magazynowych najodpowiedniejsze są sole występujące w cyklotemach PZ1 (o ile występuje) i PZ2 ulokowane najczęściej w formach antyklinalnych. Przykładowe rozmieszczenie soli PZ2, PZ3 i PZ4 dla wysadów Damasławek i Łanięta na głębokości zwierciadła solnego przedstawia rysunek 7. Proporcje obu rodzajów soli są różne w różnych wysadach, przy czym zaobserwować można, że udział soli najstarszych i starszych maleje nieliniowo ze wzrostem powierzchni wysadu solnego, co przedstawia rysunek 8. Oznaczając symbolem A powierzchnię form antyklinalnych a symbolem P całkowitą powierzchnię zwierciadła solnego, zależność tę można przybliżyć wzorem (9). Określając hipotetyczne pojemności kawern magazynowych, przyjęto, że zarówno rozkład prawdopodobieństwa ulokowania komory na danej głębokości, jak i jej objętość zależą od wartości współczynnika A/P. Przyjęto więc hipotezę, że odchylenie standardowe rozkładu głębokości posadowienia w rozpatrywanym wysadzie σ ma się tak do odchylenia standardowego w wysadzie Mogilno σM jak odpowiednie stosunki A/P. Analogicznie określono wstępne wartości pozostałych parametrów rozkładu trapezowego a, b, c, d. Ostateczne wartości parametrów wyznaczono dostosowując je do głębokości zwierciadła solnego, a w razie możliwości, również do głębokości optymalnej. Powierzchnię wysadów P, ilorazów A/P, maksymalną głębokość zwierciadła soli oraz otrzymanych ostatecznie wartości parametrów rozkładu trapezowego wraz z wartością średnią μ i odchyleniem standardowym σh przedstawiono w tabeli 1. Kryterium A/P posłużyło również do wyznaczenia przeciętnej objętości komór w poszczególnych wysadach Vav, które przyjęto zgodnie z zależnością (11) a uzyskane wartości przeciętne wraz z odchyleniem standardowym σV przedstawiono w tabeli 1. W tabeli podano również ryzyko odwiercenia otworu negatywnego. Przyjęto, że taka sytuacja będzie mieć miejsce jeśli do głębokości 1850 m p.p.t. nie zostanie znaleziona warstwa soli odpowiedniej miąższości, nadająca się do lokalizacji kawerny. Przeciętne pojemności początkowe komór magazynowych (Cav) w analizowanych wysadach równe są w przybliżeniu iloczynowi przeciętnej objętości i różnicy ciśnienia maksymalnego i minimalnego dla przeciętnej głębokości (wzór (2) ze współczynnikiem k = 1). Poniższe rysunki 9 i 10 przedstawiają natomiast odpowiednio pojemności początkowe oraz po 20 latach jakie posiadać będą komory, jeśli zostaną zlokalizowane na określonej głębokości. Zgodnie z przyjętą hipotezą sytuacja w wysadach o większej powierzchni zwierciadła solnego niż wysad Mogilno może być jeszcze mniej korzystna. Polepszenie efektywności gospodarowania będzie możliwe przy lepszym rozpoznaniu budowy wysadów i wprowadzeniu nieregularnych siatek otworów. Duże nadzieje można tu wiązać z radarem otworowym, którym przeprowadzono pomiary w części eksploatacyjnej kopali Mogilno, jednak złożoność budowy wewnętrznej środkowopolskich wysadów solnych i znaczna odległość otworów sprawia interpretacja wyników pomiarów georadarowych jest bardzo skomplikowana.

Słowa kluczowe

EN

Polish Zechstain; salt domes; salt caverns; natural gas storage; cavern capacity

PL

cechsztyn; wysady solne; kawerny solne; magazynowanie gazu ziemnego; pojemność kawerny

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 57, no. 2
• Strony: 335--349
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Ślizowski J.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Drilling, Oil and Gas, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Urbańczyk K.

• Research and Development Centre for Mining of Chemical Raw Materials “Chemkop”, ul. Wybickiego 7, 31-261 Cracow, Poland

Bibliografia

• Cetinkaya E., 2007. Modeling peak-load exploitation of underground gas storage in salt caverns Turkish and Polishcase studies. Archives of Mining Sciences, Vol. 52, No 1, p. 21-47.
• Fernandez G., Guarascio M., 1998. Cavern Design, Safety and Environmental Adequacy. [in:] Guidelines for Safety Assessment of Salt Caverns, Manual of SMRI Fall 1998 Technical Class, Rome, Italy.
• Flisiak D., Flisiak J., Tajduś A., 1997. Geomechaniczne problemy projektowania podziemnych magazynów sprężonego powietrza dla energetyki. Biblioteka Szkoły Eksploatacji Podziemnej, Wyd. PAN, Kraków.
• Kortas G., 2007. The influence of the form of a salt mine on the displacement of the ground surface. Archives of Mining Sciences, Vol. 52, No 1, p. 107-120.
• Lankof L., 2010. Analiza odkształcalności i utraty masy zubrów brunatnych w aspekcie składowania odpadów promieniotwórczych w środkowopolskich wysadach solnych. Studia, Rozprawy, Monografie, Wyd. IGSMiE, Kraków.
• Pająk L., Gonet A., Śliwa T., Knez D., 2010. Analiza możliwości wykorzystania magazynów ciekłego propanu, lokowanych w strefie kawern wysadów solnych do produkcji energii. Wiertnictwo Nafta Gaz, T. 27, Z. 4, s. 657-667.
• Ślizowski K., 1983. Warunki geologiczno-górnicze w cechsztyńskich złożach soli w Polsce dla wykonania podziemnych zbiorników cieczy i gazu. Zeszyty Naukowe AGH, Górnictwo, z. 121, Kraków.
• Ślizowski K., Lankof L., 2009. Geologiczne uwarunkowania składowania wysokoaktywnych odpadów promieniotwórczych w złożach soli w Polsce. Przegląd Geologiczny, vol. 57, nr 9, s. 829-838.
• Ślizowski J., Urbańczyk K., 2011. Możliwości magazynowania gazu ziemnego w polskich złożach soli kamiennej w zależności od warunków geologiczno-technicznych. Wyd. IGSMiE PAN, Kraków.
• Ślizowski J., Urbańczyk K., Serbin K., 2010. Numeryczna analiza konwergencji pola komór magazynowych gazu w wysadzie solnym. Gospodarka Surowcami Mineralnymi IGSMiE PAN., T. 26, Z. 3, s. 85-93.
• Ślizowski J., Urbańczyk K., Wojtuszewska K., 2009. Convergence estimation for gas storage caverns field. SMRI Spring Meeting 2009, Kraków.