Cómo están diseñados los almacenamientos subterráneos de gas: métodos adecuados para almacenar gas natural

Podría parecer que el conocimiento sobre cómo están diseñados los almacenamientos subterráneos de gas no tiene un valor práctico para el usuario común. Pero la humanidad es demasiado dependiente del combustible «azul» y uno quiere estar seguro de que nunca habrá interrupciones en su suministro. ¿Cierto?

Y a cada compatriota puede tranquilizarle la información sobre los almacenamientos de gas ubicados bajo tierra (ASG) — mientras estén llenos, no habrá problemas de suministro de gas. Lea más sobre la estructura de los almacenamientos y las características de almacenamiento en nuestro artículo.

Estructura de los almacenamientos subterráneos de gas

Si para el almacenamiento de gas para uso doméstico los propietarios de viviendas particulares utilizan gasómetros, a escala estatal se trata de opciones de almacenamiento completamente diferentes. Así, oficialmente los almacenes subterráneos de gas son complejos de instalaciones de ingeniería y técnica que sirven para la inyección, almacenamiento y extracción del combustible «azul». Consisten en componentes superficiales y subterráneos.

A los superficiales pertenecen:

• punto de distribución de gas, que sirve para distribuir el flujo de gas en varias líneas tecnológicas;
• taller de compresores, donde se prepara el combustible (aumentando la presión) para la inyección en los pozos;
• instalaciones de purificación de gas.

Subterráneos componentes del almacenamiento subterráneo de gas son: pozos, excavaciones, depósitos. Y el último punto (depósitos) es el más interesante — de dónde se almacena el combustible «azul» depende cómo está diseñado el propio almacenamiento de gas.

Los almacenamientos subterráneos de gas modernos se parecen exteriormente a grandes plantas industriales. Ya que para asegurar la inyección/extracción del combustible es necesario utilizar potentes equipos de compresión, purificación y otros. Que son atendidos por cientos, incluso miles de especialistas.

Revisión de los depósitos para almacenamiento de gas

Con el mismo peso, el gas ocupa áreas mucho mayores que cualquier sólido. Y dado que se utiliza en enormes cantidades, para su almacenamiento se necesitan depósitos igualmente grandes.

Además, los especialistas abandonaron el almacenamiento de gas en depósitos superficiales hechos por el hombre hace ya un siglo.

La razón es que para ello se necesitaría:

• ocupar enormes extensiones del planeta con complejos para almacenar combustible 'azul' de baja presión;
• utilizar costosos y explosivos gasómetros de alta presión.

Como resultado, para nivelar los aspectos negativos mencionados anteriormente, se optó por los almacenamientos subterráneos, entendiendo como tales los recipientes que se encuentran a gran profundidad. La cual, en la mayoría de los casos, es de entre 300 y 1000 metros. Y allí se puede almacenar el combustible en depósitos creados por la naturaleza.

En total, los ingenieros han aprendido a utilizar con éxito 7 tipos de depósitos naturales para almacenar gas:

• formados en capas porosas saturadas de agua;
• conservados tras la extracción de hidrocarburos, es decir, del mismo gas y petróleo;
• formados en depósitos de sal gema;
• creados en labores mineras de minas;
• creados en rocas de permafrost resistentes;
• con una envoltura de hielo-roca a baja temperatura;
• formados tras explosiones atómicas subterráneas.

Aunque hay muchas opciones, solo los primeros 4 métodos de almacenamiento de gas se distinguen por su practicidad. Los demás tipos de depósitos solo son adecuados en teoría.

El ASG Severo-Stavropolskoye es el más grande del mundo y la reserva de gas allí almacenada puede satisfacer la demanda anual de combustible de un país tan grande como Francia. Ya que la superficie del almacenamiento es de nada menos que 680 km².

La razón de la falta de practicidad de los tres tipos restantes es la siguiente:

• En las rocas congeladas se puede almacenar gas, prueba de ello son varios almacenamientos en funcionamiento en las regiones septentrionales del planeta. Pero sus volúmenes son extremadamente pequeños, por lo que hoy en día no tienen ningún significado industrial.
• Los recipientes formados por explosiones nucleares subterráneas son bastante adecuados para almacenar cantidades significativas de gas, cosa que ya se ha demostrado experimentalmente. Pero la cuestión es que las armas potentes se probaban lejos de las zonas habitadas. Por lo tanto, allí normalmente no hay consumidores ni infraestructuras de ingeniería.

En consecuencia, los tipos de recipientes mencionados simplemente no son adecuados para su uso.

Aunque los ASG se denominan almacenamientos, en realidad la conservación del gas no es su tarea principal. Ya que lo que contienen se utiliza principalmente para suavizar las irregularidades del consumo. Estas irregularidades pueden ser diarias, semanales, estacionales. Solo en último lugar se crean los ASG para mitigar las consecuencias de situaciones de fuerza mayor.

A continuación, examinaremos con más detalle cada una de las opciones de almacenamiento de gas subterráneo.

Opción #1 — almacenamientos en capas saturadas de agua

Los almacenamientos en capas saturadas de agua están diseñados para mitigar las consecuencias de la irregularidad estacional en el uso del gas. Y también para crear reservas estratégicas.

Una característica importante de la construcción de estos almacenamientos es la mínima intervención humana, generalmente solo en la etapa de creación de los pozos necesarios para la inyección de gas.

En el mapa de Rusia se ve que los PAG están ubicados cerca de los gasoductos principales y de grandes asentamientos. Y esto no es casualidad, ya que los almacenes están destinados a garantizar la estabilidad del consumo de gas, para lo cual deben estar en las proximidades de grandes objetos.

Las mencionadas capacidades se buscan en acuíferos artesianos. Los almacenes de gas se crean donde la estructura de la roca es permeable y porosa. Los restos de líquido se eliminan con gas, que la comprime y luego la expulsa.

Los propios, así llamados, depósitos para almacenar combustible no lo son en realidad. Más bien, no existen en absoluto: como lugar de almacenamiento se utilizan los huecos en estratos porosos. Y todo el procedimiento de creación de un almacén de gas consiste en desplazar parte del agua hacia la periferia. Se hace con el fin de crear espacio para el combustible «azul».

Realizar el procedimiento descrito anteriormente solo será posible si contribuyen una serie de factores:

• El estrato poroso permeable está cubierto por un domo (techo) de rocas impermeables al gas, que generalmente son arcillas compactadas.
• El acuífero se extiende desde los límites del almacén durante decenas de kilómetros. Y es aún mejor si tiene una salida a la superficie. Todo lo mencionado permite al gas expulsar exitosamente el agua que se encuentra en el estrato.
• La extensión del domo es suficiente para garantizar la posibilidad de almacenar volúmenes significativos de gas.
• La porosidad y permeabilidad de la roca garantizan una capacidad aceptable de gas y la capacidad de liberarlo durante la explotación.

Si al menos una de las condiciones no se cumple, será imposible crear un almacenamiento subterráneo.

El principio de funcionamiento de los almacenes subterráneos modernos es simple. Se pueden examinar las características con el ejemplo de grandes PAG utilizados para suavizar las desigualdades estacionales.

Así, generalmente en la temporada cálida se inyecta la cantidad necesaria de gas. La cual se comienza a extraer solo con la llegada de la temporada de calefacción. Además, al gasoducto principal no se envía una cantidad enorme de gas, sino una cantidad promedio, conocida por la experiencia de operación de inviernos anteriores.

Y si de repente la temperatura baja bruscamente y el consumo diario se vuelve un orden mayor, el gran PAG no aumentará los volúmenes de extracción. Y la escasez será cubierta por pequeños almacenes destinados a suavizar el consumo diario y semanal. La razón es que de ellos es más fácil y rápido realizar la extracción.

Se consideran óptimos los depósitos con un área de varios kilómetros cuadrados. Con una diferencia de altura entre el fondo y la cima del domo de 10 a 15 metros.

La ventaja de los PAG en estratos saturados de agua es su capacidad sustancial. Y la desventaja se considera que los geólogos, al estudiar las características del acuífero, pueden no detectar ni tener en cuenta algún factor importante. Como resultado, el almacén resultará no apto para su uso.

Y lo peor es que esto a menudo se descubre después de enormes inversiones en la construcción de infraestructura superficial y subterránea. Con bastante frecuencia también se encuentran inconvenientes menores, por lo que la operación de ASG en rocas saturadas de agua conlleva costos imprevistos significativos.

Opción #2 — depósitos después de la extracción de hidrocarburos

Los complejos de ingeniería que pertenecen a este tipo sirven para suavizar las fluctuaciones estacionales del consumo de combustible azul, así como para crear reservas estratégicas.

Los almacenamientos subterráneos son demandados porque su creación y operación son las más ventajosas económicamente. Y los enormes gasómetros superficiales (mostrados en la foto) se utilizan si no es posible usar los gasoductos principales con ASG. Además, en los depósitos mostrados en la foto normalmente se almacena exclusivamente gas licuado.

La construcción de los almacenamientos de este tipo es la misma que en el caso de los análogos creados en acuíferos saturados de agua. Es decir, el combustible se almacena en los espacios vacíos de rocas porosas.

Los ASG creados en rocas donde alguna vez hubo hidrocarburos son los más comunes en el mundo. Así, su cantidad alcanza un significativo 70%, debido a una serie de ventajas.

Entre las que se incluyen: una capacidad sustancial y ahorro en inversiones en exploración, creación de infraestructura o al menos parte de ella, perforación — en el lugar de creación de tales ASG ya se realizaba extracción de petróleo y gas.

Hay que entender que los gasómetros enterrados no son almacenamientos subterráneos. Ya que están diseñados para resolver tareas completamente diferentes. Y están bajo tierra solo para hacer que la evaporación del gas licuado sea más eficiente en heladas severas, además sin ningún costo. También, la ubicación condicionalmente subterránea de los gasómetros permite ahorrar espacio útil, por ejemplo en un terreno de propiedad.

Pero los depósitos que quedaron después de la extracción de hidrocarburos no se pueden considerar ideales.

Tienen bastantes desventajas:

• problemas de estanqueidad de los pozos antiguos – especialmente en antiguos yacimientos de petróleo;
• porosidad y permeabilidad insuficientes de las rocas;
• mezcla de gas con residuos de petróleo – lo que a veces conduce a pérdidas significativas, ya que la mezcla obtenida ya no se puede utilizar.

Y también, a menudo en yacimientos de petróleo el gas adquiere una peligrosa impureza en forma de sulfuro de hidrógeno. Que es perjudicial para la salud humana y además destruye todo tipo de estructuras de acero, incluso las de acero inoxidable.

La explotación de almacenamientos subterráneos de gas (ASG) basados en yacimientos de hidrocarburos agotados es posible porque el gas inyectado desplaza los residuos de petróleo del estrato. Además, al igual que el agua, tiene efectos de compresibilidad y movilidad, lo que facilita el acondicionamiento del depósito. A veces, bajo la presión del gas, el petróleo no se exprime hacia la roca sino que asciende a la superficie, lo que se convierte en una fuente adicional de ingresos.

Opción #3 — depósitos en formaciones de sal gema

Tales depósitos de gas sirven para suavizar las irregularidades diarias y semanales en su uso, y también participan en la nivelación de las estacionales. Además, los almacenes en formaciones salinas cumplen exitosamente el rol de fuente de reserva para consumidores importantes.

Solo existen 2 métodos demandados de almacenamiento subterráneo de gas. Estos son: en estratos porosos permeables y en cavernas disueltas en depósitos de sal. La primera opción se usa cuando se necesita crear un gran depósito; la segunda, solo para resolver problemas locales.

Estos ASG se crean mediante el método de lavado de parte de los depósitos de sal para crear una cavidad del tamaño necesario. Para ello, inicialmente se perforan varios pozos a través de los cuales se suministra agua durante un período prolongado.

Aunque el procedimiento descrito es largo y costoso, se amortiza porque el almacenamiento del gas natural inyectado se realiza sin pérdidas. La razón es que las cuevas de sal son herméticas. Además, tienen el efecto de autocuración — las fisuras tectónicas y otras se llenan de depósitos de sal con bastante rapidez.

La ventaja de la construcción de tales almacenamientos subterráneos de gas es que la extracción del volumen necesario de combustible se realiza prácticamente sin limitaciones de velocidad, la cual es varias veces mayor que en depósitos de otros tipos. Además, una importante cualidad de los ASG construidos en cuevas de sal es el alto porcentaje de extracción de gas, uno de los más altos entre todos sus tipos.

La roca para el almacenamiento de gas debe ser como se muestra en la foto. Es decir, permeable y con suficiente espacio para albergar un gran volumen de combustible. Además, la estructura del estrato debe permitir desplazar fácilmente el agua y los residuos de petróleo.

Pero la cantidad de cavernas en los depósitos de sal no supera el 2% del número total de almacenamientos.

Varios factores negativos influyen en este indicador:

• Presencia de una enorme cantidad de agua salada después del lavado de las cuevas para almacenar gas. Como resultado, si no hay mar o al menos plantas procesadoras de sal cerca, no hay dónde disponer el líquido. Esta es la razón principal de la escasa cantidad de ASG de este tipo.
• Reducción del volumen útil durante la operación. Este fenómeno es causado por la evaporación de la sal en zonas de mayor presión y su acumulación en zonas de menor presión.
• Aparición de impurezas en el gas, que a menudo son restos de líquido utilizado previamente para lavar la cavidad.
• Volúmenes insignificantes, lo que impide crear reservas en cantidades suficientes.

En consecuencia, los almacenes de sal suelen utilizarse solo donde no es posible emplear los tipos de recipientes mencionados anteriormente.

Opción #4 — almacenamientos subterráneos en excavaciones mineras

Sus volúmenes son insignificantes. Sin embargo, los suecos y los noruegos almacenan parte de sus reservas estratégicas de gas en recipientes de este tipo.

El ASG en explotaciones mineras es el único almacenamiento de gas completamente construido por el hombre. Así, en una de las minas se crea un recipiente mediante explosiones, que luego se recubre con láminas de acero.

Así son las cavernas de sal utilizadas para almacenar gas. Son herméticas y fiables, pero tienen tamaños limitados, por lo que son adecuadas para crear ASG de volumen insignificante. Además, exclusivamente para resolver tareas locales. Por ejemplo, en Rusia, de los 27 almacenes en uso actualmente, solo 2 son de sal.

Aunque explotar ASG en minas abandonadas es rentable, debido al alto porcentaje y velocidad de extracción, en un futuro cercano su cantidad no aumentará significativamente. La razón es que los almacenes descritos son difíciles de construir. Ya que no siempre se logra una hermeticidad total, lo que conlleva pérdidas significativas.

Esto sucede porque durante la explotación de la mina se intenta suministrar la máxima cantidad de aire. Para ello se crea un sistema de ventilación con numerosas salidas a la superficie, que al acondicionar el almacén no siempre se logran sellar.

En consecuencia, hoy en día solo hay unos pocos ejemplos exitosos de implementación de la idea de almacenar gas en minas abandonadas (en Suecia, Noruega, Alemania).

¿Son herméticos los almacenamientos?

Las fugas de combustible son procesos frecuentes que es imposible evitar. Ya que hay demasiadas causas.

Para mayor comodidad, se dividen en 3 categorías:

• geológicas;
• tecnológicas;
• técnicas.

Al grupo de causas geológicas se incluyen la heterogeneidad de las cubiertas del ASG, la presencia de fallas tectónicas, así como las particularidades de la hidrodinámica y la geoquímica. Por ejemplo, el gas puede simplemente migrar a través de la capa, y los especialistas no pueden influir en ello.

Las causas tecnológicas se encuentran entre las más frecuentes, ya que ocurren regularmente errores al evaluar ciertos hechos. Por ejemplo, la eficacia de las trampas hidráulicas, las reservas de gas, los procesos fisicoquímicos que ocurren.

A menudo, para llegar a los estratos deseados se utiliza la perforación de pozos. Además, su tecnología no difiere en nada de procedimientos similares al intentar llegar a depósitos de gas, petróleo.

Las causas técnicas suelen estar relacionadas con el estado de los pozos utilizados, mediante los cuales se realiza la inyección de gas.

Características de la creación de almacenamientos subterráneos de gas

En el 95% de los casos, los ASG se crean expulsando agua con gas, residuos de petróleo de formaciones porosas. Así se crean «contenedores» para almacenar el combustible «azul».

Y la característica principal es que el volumen de gas utilizado para expulsar los líquidos no puede ser utilizado posteriormente para el suministro a los consumidores. Su función es evitar que el agua y los residuos de hidrocarburos regresen a su lugar original. De lo contrario, el almacenamiento simplemente dejaría de existir.

Es decir, dicho gas es amortiguador. Por lo general, representa no menos de la mitad del volumen total inyectado en el ASG. Y en algunos casos, el gas amortiguador es 3 veces mayor que el que se puede utilizar para el suministro a los consumidores, el cual se denomina activo.

Es interesante que la cantidad de gas amortiguador no se puede calcular de antemano. Es decir, todo se verifica exclusivamente de forma experimental. Lo que en muchos casos lleva años. Pero aún así, cuando el resultado obtenido no es satisfactorio, se puede extraer el gas amortiguador por completo.

Procedimiento de llenado del almacenamiento

Después de que los geólogos hayan realizado estudios de alguna formación y hayan decidido que en el lugar adecuado se puede crear un almacenamiento de gas, los gasistas construyen un complejo de ingeniería.

Los ASG modernos son la forma más segura de almacenar reservas de gas. Pero sus frecuentes fugas son un gran problema para los gasistas y ecologistas, quienes consideran estos casos un problema significativo para el medio ambiente. Y a veces sucede como se muestra en la foto (en la distancia se ve un incendio en uno de los ASG húngaros)

Y a continuación comienza la inyección en el futuro almacenamiento subterráneo de gas de combustible «azul», que se suministra desde el gasoducto principal más cercano. Y llega a la plataforma de limpieza, donde se produce la eliminación de todo tipo de impurezas mecánicas.

El combustible limpio se envía al punto de medición y control. Y después, al taller de compresores, donde se realiza la compresión — así se llama la preparación del gas para su inyección en el almacenamiento. Esto consiste en aumentar la presión del gas hasta el valor requerido.

Luego se transporta a los puntos de distribución de gas. Donde el flujo general se divide en varios y entra en diferentes líneas tecnológicas. Desde allí, por los ramales, se dirige a los pozos para su inyección.

Durante todo el proceso, los especialistas controlan una serie de parámetros, entre ellos la presión y temperatura del gas, y el rendimiento de cada pozo.

Conclusiones y video útil sobre el tema

El material de video adjunto a continuación está dedicado al tema de la creación de un ASG para suavizar el consumo desigual de combustible, que será suministrado por el gasoducto «Sila Sibiri».

Los almacenamientos subterráneos de gas son la forma más confiable y ventajosa de nivelar el consumo desigual de gas y garantizar su suministro estable en casos de fuerza mayor. Y lo más interesante es que no debemos agradecer por ello al genio humano, sino a la naturaleza, que previó y creó las capas de roca adecuadas para este propósito.

¿Ha participado usted personalmente en la creación de almacenamientos subterráneos de gas y desea complementar el material expuesto anteriormente con información útil? ¿O ha notado alguna discrepancia en los hechos? Deje sus observaciones y comentarios – el bloque de comentarios se encuentra debajo del artículo.