地下儲(chǔ)氣庫(kù)地面工藝參數(shù)及氣井流量計(jì)量技術(shù)

何 彬 吳家文 崔紅霞 石為為

（1.中國(guó)石化集團(tuán)國(guó)際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100083；2.大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712；3.大慶油田工程有限公司，黑龍江大慶 163712；4. 中國(guó)華油集團(tuán)油氣資源事業(yè)部，北京 100101）

地下儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)存天然氣是確保向天然氣用戶平穩(wěn)供氣的最佳選擇［1］。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家地下儲(chǔ)氣庫(kù)已發(fā)展了70余年，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益［2］。國(guó)內(nèi)由于受天然氣資源和長(zhǎng)距離輸送方面的限制，儲(chǔ)氣庫(kù)的發(fā)展還處于起步階段。

結(jié)合喇嘛甸地下儲(chǔ)氣庫(kù)喇二注氣站，著重就地下儲(chǔ)氣庫(kù)的注氣規(guī)模、壓縮機(jī)的選擇、注氣壓力確定、潤(rùn)滑油吸附和過(guò)濾分離技術(shù)、氣井流量計(jì)量工藝等進(jìn)行了探討，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用。注氣后，儲(chǔ)氣庫(kù)油氣界面沒(méi)有發(fā)生明顯變化，說(shuō)明注入氣沒(méi)有發(fā)生外漏，油氣界面繼續(xù)保持穩(wěn)定。

1 注氣規(guī)模的確定

1.1 儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰能力

1.1.1 地下構(gòu)造情況 喇嘛甸油田是一個(gè)受構(gòu)造控制的帶氣頂?shù)谋承庇吞?，含油面積100 km2，含氣面積18.1 km，天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量35.7×10 m，原始地層壓力10.08 MPa，原始地層溫度40 ℃，地層壓力為7.38 MPa。1.1.2 儲(chǔ)氣庫(kù)的能力分析 由于喇嘛甸油田地下儲(chǔ)氣庫(kù)是基于喇嘛甸砂巖的氣頂，儲(chǔ)氣庫(kù)的階段調(diào)峰能力主要取決于油氣區(qū)壓力的控制。目前油氣區(qū)壓力基本趨于平衡。當(dāng)油氣區(qū)壓差控制在±0.5 MPa之間時(shí)，不會(huì)發(fā)生明顯的氣竄和油浸現(xiàn)象。因此，在維持目前油區(qū)工作制度不變的情況下，儲(chǔ)氣庫(kù)的調(diào)峰能力為1.3×108m3左右。

1.1.3 氣井注氣能力分析 目前油田平均單井注氣能力可以達(dá)到10×104m3/d，如果按注氣上限120× 104m3/d的規(guī)模，則需開井10~12口井，現(xiàn)有14口氣井可以滿足日注、采100×104m3（波動(dòng)上限120%）天然氣的要求。

1.2 注入氣源

可供喇嘛甸儲(chǔ)氣庫(kù)注入的氣源是大慶喇薩杏油田夏季多余的油田氣和天然氣化工裝置停產(chǎn)檢修時(shí)的放空氣量［3-5］。

1.2.1 喇薩杏油田2001?2015年天然氣產(chǎn)量預(yù)測(cè)

根據(jù)大慶喇薩杏油田2001?2015年開發(fā)規(guī)劃方案的原油產(chǎn)量和2000年、2001年油田產(chǎn)能自耗天然氣冬夏季的生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)，推算出了2001?2015年喇薩杏油田天然氣的產(chǎn)量。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，2001?2015年喇薩杏油田天然氣的產(chǎn)量逐年減少。原油集輸自耗氣冬夏季相差較大，比例在2.84∶1左右。由于自耗氣冬夏季相差較大，可集氣量冬夏季相差也較大，約100×104m3/d左右。

1.2.2 天然氣平衡狀況預(yù)測(cè) 夏季大用戶正常生產(chǎn)時(shí)氣量基本平衡，但用戶檢修時(shí)儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰能力不足；冬季供氣量的不足逐年增加，用戶最低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)也很難保證。目前夏季最大調(diào)峰用戶之一的大慶石油管理局龍鳳熱電廠2001年開始進(jìn)行油氣改煤工程，從2003年開始夏季用氣量開始減少，這樣就加大了對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰能力的需求。

1.2.3 可供注入氣源規(guī)模的確定

（1）油田產(chǎn)能自耗天然氣夏季的平衡氣余量。由天然氣產(chǎn)量預(yù)測(cè)結(jié)果推斷出的2001?2015年油田天然氣系統(tǒng)的平衡狀況，可得出的這期間需儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰的注采氣量為1.2×108m3/d。

（2）化工裝置停產(chǎn)檢修時(shí)的放空氣量。檢修期剩余氣量的利用程度取決于合理的調(diào)度和安排，這部分放空氣量已在2001?2015年油田天然氣系統(tǒng)平衡中統(tǒng)一考慮。

綜合以上分析結(jié)果，一期工程注氣規(guī)模確定為60×104m3/d，波動(dòng)范圍為80~120%；二期工程注氣規(guī)模為40×104m3/d。

2 壓縮機(jī)及注入壓力

2.1 壓縮機(jī)選擇

由于氣源供氣量、供氣壓力的穩(wěn)定性受季節(jié)、氣溫等影響很大，這就要求注氣壓縮機(jī)必須保證適應(yīng)氣量、壓力等工藝操作參數(shù)大幅度的變化，因此引進(jìn)了3臺(tái)美國(guó)DRESSER-RAND公司生產(chǎn)的VIP型注氣壓縮機(jī)。

VIP壓縮機(jī)氣缸的冷卻方式采用風(fēng)冷形式，氣缸重量?jī)H為類似水冷氣缸的25%~30%。選擇VIP壓縮機(jī)能夠降低能耗，節(jié)省配件儲(chǔ)備，減少繁雜的維護(hù)程序，為儲(chǔ)氣庫(kù)平穩(wěn)注氣提供可靠的保證。

每臺(tái)壓縮機(jī)的氣缸尺寸均相同，其中一臺(tái)（A機(jī)組）帶有進(jìn)氣閥卸荷器和手動(dòng)余隙調(diào)節(jié)裝置，另外兩臺(tái)（B機(jī)組和C機(jī)組）只有余隙調(diào)節(jié)裝置。A機(jī)組排量23×104m3/d，B機(jī)組和C機(jī)組每臺(tái)排量24.6× 104m3/d，A機(jī)組的卸荷器和余隙閥精確控制流量范圍到（9.1~23）×104m3/d。三臺(tái)機(jī)組聯(lián)合使用，使得流量可控制在（10~72）×104m3/d范圍內(nèi)，并做到在無(wú)回流循環(huán)的情況下實(shí)現(xiàn)步長(zhǎng)1×104m3/d的調(diào)節(jié)。這樣，不僅在供氣氣量不平穩(wěn)的情況下注氣量可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)整。而且可以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.2 壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的確定

適用于注氣的活塞壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有兩種，一種是電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)；另一種是天然氣引擎驅(qū)動(dòng)機(jī)。按壓縮機(jī) 機(jī)組功率在600 kW，對(duì)這兩種驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比如下。

（1）驅(qū)動(dòng)機(jī)采用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，效率一般為36%，考慮帶動(dòng)潤(rùn)滑油泵、冷卻泵后，效率在32%~34%之間，即1 kW·h的電耗天然氣量為0.28~0.3 m3。

（2）采用電動(dòng)機(jī)，效率為95%。電源引自電站，電站的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的效率平均取37.91%。由于該電站用天然氣需增壓，考慮其動(dòng)力、變配電損失后，電動(dòng)機(jī)輸出端效率為31.0%，考慮壓縮機(jī)潤(rùn)滑油泵、冷卻水用電后效率降為29.4%。

以上分析可看出，從降低注氣成本、減少調(diào)度環(huán)節(jié)上考慮，采用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率高于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.3 注入壓力的確定

設(shè)計(jì)過(guò)程中確定注入壓力時(shí)，一般情況下既要充分利用儲(chǔ)氣層的儲(chǔ)氣能力、保護(hù)儲(chǔ)氣層封閉圈的密封性，又要考慮能適應(yīng)壓力大幅度變化的工況。壓縮機(jī)的工況與儲(chǔ)氣庫(kù)地層壓力密切相關(guān)，在注氣過(guò)程中，注氣壓縮機(jī)出口壓力隨儲(chǔ)氣層壓力的升高而上升，變化幅度很大。

喇氣庫(kù)現(xiàn)地層壓力為7.38 MPa。根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，注氣站出站壓力8.5 MPa時(shí)，單井平均日注氣5.1 ×104m3，推算如果注氣壓力9 MPa時(shí)，可注入7× 104m3。以上注入壓力與地層壓力的關(guān)系，基本符合國(guó)外資料介紹情況，即注入壓力與地層壓力之比為1.15~1.20倍。預(yù)計(jì)注氣站擴(kuò)建后，每年注氣結(jié)束后氣層壓力升幅小于0.06 MPa。如實(shí)施冬采夏注，則推算井口處的注氣壓力不小于10 MPa?？紤]管網(wǎng)阻力損失和站內(nèi)處理壓力損失等其他因數(shù)，壓縮機(jī)出口壓力定為12 MPa。

根據(jù)美國(guó)IGC天然氣技術(shù)咨詢公司介紹的注入壓力確定方法，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：（1）不超過(guò)原始地層壓力；（2）管線壓降；（3）地層污染等其他因素再加10 %余量。

根據(jù)此方法核算后，進(jìn)一步證明壓縮機(jī)出口壓力為12 MPa是可行的。采氣壓力應(yīng)按喇二壓氣站配出壓力確定，壓力等級(jí)為1.6 MPa。

3 潤(rùn)滑油吸附和過(guò)濾分離技術(shù)

壓縮機(jī)出口天然氣中，通常夾帶有少量的潤(rùn)滑油蒸汽，注入地下會(huì)污染地層，降低其滲透率，造成注入壓力逐漸增高，為減少地層污染必須將這些油蒸汽脫除。

在此以前國(guó)外都是采用烏克蘭流程，即在壓縮機(jī)出口先采用活性炭吸油蒸汽，然后再經(jīng)陶瓷過(guò)濾器過(guò)濾掉活性炭粉塵的技術(shù)。通過(guò)對(duì)美國(guó)、法國(guó)地下儲(chǔ)氣庫(kù)的考查發(fā)現(xiàn)，目前壓縮機(jī)出口油蒸汽的吸附技術(shù)大有改進(jìn)，僅需通過(guò)一個(gè)特制的分離器（過(guò)濾分離器）即可達(dá)到目的［6］。

在本次喇嘛甸地下儲(chǔ)氣庫(kù)地面工藝方案設(shè)計(jì)中采用了這種過(guò)濾和分離相結(jié)合的特殊結(jié)構(gòu)的過(guò)濾分離技術(shù)，并在過(guò)濾分離器的液相段的擋板處，增設(shè)了一個(gè)高、低壓平衡小孔。這樣一方面解決了由于濾芯堵塞更換不及時(shí)造成壓差過(guò)高所帶來(lái)的不安全隱患，另一方面避免了液相段排放壓差過(guò)高造成逆流的可能性。該工藝與原國(guó)外該類型儲(chǔ)氣庫(kù)流程比既簡(jiǎn)化又能節(jié)省投資。5 μm以上的油蒸氣液滴能夠100%被吸附。

4 氣井地面計(jì)量工藝

除用超聲波流量計(jì)外也采用了1臺(tái)彎管流量計(jì)進(jìn)行高壓?jiǎn)尉烊粴庥?jì)量試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果證明均可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。超聲波流量計(jì)適用于大管徑氣體流量的高精度測(cè)量（管徑可達(dá)1.6 m ，精度0.5%），測(cè)量范圍（量程比）寬，可精確測(cè)量脈動(dòng)流，氣體通過(guò)流量計(jì)無(wú)壓力損失，流量計(jì)可同管道系統(tǒng)一起進(jìn)行通球、清洗（無(wú)阻擋條件，探頭可以提升），重復(fù)性很高，不受安裝條件的影響。彎管流量計(jì)適應(yīng)性強(qiáng)，測(cè)量范圍寬，直管段要求不嚴(yán)格，前5D、后2D即可滿足要求，氣體通過(guò)流量計(jì)無(wú)附加阻力損失，安裝方便，耐磨損，免維護(hù)，測(cè)量精度高，重復(fù)性好。兩種流量計(jì)不僅可實(shí)現(xiàn)注、采氣的雙向計(jì)量，而且計(jì)量精度不受氣體帶液量的影響，還具有流程簡(jiǎn)單、投資少、計(jì)量精確等特點(diǎn)。

4.1 超聲波流量計(jì)原理

在有流體流動(dòng)的管道中，超聲脈沖順流時(shí)傳播的速度要比逆流時(shí)快；流過(guò)管道的流體的速度越快，這兩種超聲脈沖傳播的時(shí)間差越大，則流量也越大

式中，C為聲速，m/s，變量；L為聲程，m，常量；φ為管軸線與聲程的夾角，常量；tAB為由A到B的時(shí)間，s；tBA為由B到達(dá)A的時(shí)間，s；d為垂直于水流方向上兩換能器之間水平距離，m。

從式（3）中可以看出，流量的準(zhǔn)確計(jì)算是由通過(guò)時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量來(lái)保證的，只要精確地測(cè)出時(shí)間，就可以保證精度。

超聲流量計(jì)不依靠流體的功能，因此，它能檢測(cè)很小的流量，從而具有很寬的量程比。由于它能在反正兩個(gè)方向上測(cè)量時(shí)間差，這種氣體超聲流量計(jì)可自動(dòng)給出雙向氣流的流量測(cè)量值［7-11］。

4.2 彎管流量計(jì)的工作原理

當(dāng)具有一定流速的流體流經(jīng)彎管時(shí)，由于受到彎曲管道的限制，流體被迫作向心加速運(yùn)動(dòng)，完成90°旋轉(zhuǎn)。該向心加速度的大小與流體流速V的平方成正比，與流體的密度ρ成正比。除此之外，該向心加速度的大小還受到彎管幾何結(jié)構(gòu)尺寸中心線曲率半徑R和管徑D的影響［12］。彎管流量計(jì)的流量公式可由下式確定

式中，α（D）為流量系數(shù)，是管徑D的函數(shù)；Dp為彎管外側(cè)與內(nèi)側(cè)壓力的壓差值，MPa。

根據(jù)式（3），在彎管傳感器幾何結(jié)構(gòu)確定之后，只要測(cè)取流體流經(jīng)彎管的外、內(nèi)側(cè)壓力差Dp和流體密度ρ就可準(zhǔn)確確定流體的流速V，就可通過(guò)式（4）進(jìn)一步確定流量Q。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5.1 地層適應(yīng)性分析

目前，注采氣量都大幅度上升，平均單井日采氣14.5×10 m，比擴(kuò)建前增加了兩倍以上。

從儲(chǔ)氣庫(kù)地層壓力變化來(lái)看，2011年3月采氣階段末地層壓力為7.93 MPa，如表1所示。比2010年10月注氣階段末下降了0.33 MPa。2010年10月注氣階段末地層壓力為8.26 MPa，比2010年3月采氣階段末地層壓力上升了0.31 MPa，與2009年10月相比下降了0.01 MPa。根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算，儲(chǔ)氣庫(kù)每注采2600×104m3天然氣，地層壓力升降0.1 MPa，與理論計(jì)算的每采出2600×104m3天然氣，地層壓力下降0.1 MPa的結(jié)果符合非常好。

表1 地下儲(chǔ)氣庫(kù)地層壓力匯總 MPa

監(jiān)測(cè)資料表明儲(chǔ)氣庫(kù)油氣界面沒(méi)有發(fā)生明顯變化，說(shuō)明注入氣沒(méi)有發(fā)生外漏，油氣界面繼續(xù)保持穩(wěn)定［13-18］。

從下部氣頂及外圍油區(qū)看，注氣對(duì)地下構(gòu)造及油區(qū)開發(fā)沒(méi)有造成不良影響，氣頂外油井生產(chǎn)情況也沒(méi)有發(fā)生明顯變化。

在實(shí)際生產(chǎn)中，平均單井日采氣9.2×104m3。比擴(kuò)建前增加了1倍以上。單井注氣時(shí)，日注氣能力在10.34×104m3以上；多井同注時(shí)，平均單井日注量為6.82×104m3，比擴(kuò)建前提高了2.1倍。

5.2 注氣設(shè)備適應(yīng)性分析

在2010年6月份大化檢修時(shí)，供氣壓力超過(guò)0.75 MPa，3臺(tái)注氣壓縮機(jī)同時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行，注氣量達(dá)到75×104m3/d；當(dāng)大化停止檢修，8月份氣溫較高，來(lái)氣壓力介于0.62~0.73 MPa之間時(shí)，投運(yùn)2臺(tái)機(jī)組（B機(jī)組和C機(jī)組）滿負(fù)荷運(yùn)行，日注氣可達(dá)到50×104m3；在9月底、10月初氣溫偏低，來(lái)氣壓力介于0.58~0.64 MPa之間時(shí)，投運(yùn)了A機(jī)組和B機(jī)組（或C機(jī)組），注氣量保持在（37~50）×104m3/d范圍內(nèi)；在氣溫較低的10月中旬以后，來(lái)氣壓力小于0.59 MPa時(shí)，只能單獨(dú)運(yùn)行A機(jī)組，其注氣量可保持在（11~25）×104m3/d范圍內(nèi)。3臺(tái)機(jī)組的混合應(yīng)用，其連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)能力及高度自控能力保證了在供氣量不穩(wěn)定的情況下，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)平穩(wěn)過(guò)渡，從而為儲(chǔ)氣庫(kù)的高速注氣提供了保障。即不用變頻電機(jī)流量調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)在（11~75）×104m3/d范圍內(nèi)步長(zhǎng)為1×104m3/d的連續(xù)調(diào)節(jié)，詳見(jiàn)A機(jī)組2011年4月生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表，如表2所示。

表2 A機(jī)組生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)

由表2可以看出，通過(guò)A機(jī)組每個(gè)氣缸帶有的卸載閥，可以使得該機(jī)組的流量調(diào)節(jié)可在25%、50%、75%、100%范圍內(nèi)運(yùn)行，另外機(jī)組還可以在一定的排量下根據(jù)壓力的大小自動(dòng)少量的調(diào)節(jié)處理量。這樣加上機(jī)組余隙調(diào)節(jié)和B、C機(jī)組的組合就可實(shí)現(xiàn)（11~75）×104m3/d范圍內(nèi)步長(zhǎng)為1×104m3/d的連續(xù)調(diào)節(jié)。

喇嘛甸儲(chǔ)氣庫(kù)已經(jīng)平衡運(yùn)行近10年，注氣狀況表明地面工藝參數(shù)、注氣設(shè)備、地下情況具有較好的適應(yīng)性，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定安全地運(yùn)行。

6 結(jié)論

（1）地面工藝參數(shù)的選擇應(yīng)充分考慮儲(chǔ)氣庫(kù)規(guī)模、注入氣來(lái)源及計(jì)量設(shè)備的適應(yīng)性，使地面適應(yīng)地下、計(jì)量設(shè)備準(zhǔn)確可靠。

（2）儲(chǔ)氣庫(kù)的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行表明地面與地下具有較好的適應(yīng)性，該技術(shù)可在全國(guó)同類型儲(chǔ)氣庫(kù)推廣應(yīng)用。

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