儲(chǔ)氣庫(kù)注采分析優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件GasPAD-Stor的研制

高照敏 宋文容 田軍 陳濤 郝濤 宋健

摘要：儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)是天然氣管道生產(chǎn)的重要調(diào)峰手段。為了更有效地設(shè)計(jì)和利用地下儲(chǔ)氣庫(kù)，本文研究了儲(chǔ)氣庫(kù)的建庫(kù)機(jī)理、注采參數(shù)、運(yùn)行控制。根據(jù)儲(chǔ)氣庫(kù)管柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了三維管柱受力模型，分析計(jì)算了管柱受力、沖蝕、攜液、環(huán)空氮?dú)庵鶋毫Φ戎匾獏?shù)，研發(fā)了一套儲(chǔ)氣庫(kù)注采分析優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件GasPAD-Stor。該軟件具備儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)容設(shè)計(jì)、運(yùn)行優(yōu)化、調(diào)峰設(shè)計(jì)、注采能力分析、注采管柱設(shè)計(jì)、地面工藝設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等功能。軟件采用C/S架構(gòu)，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要配置軟件模塊。該軟件為開(kāi)展儲(chǔ)氣庫(kù)注采動(dòng)態(tài)模擬、運(yùn)行、調(diào)峰等提供了研究手段。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)氣庫(kù);運(yùn)行優(yōu)化;管柱受力分析;調(diào)峰設(shè)計(jì);沖蝕

中圖分類號(hào)：TE972 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1672-9129（2018）15-0002-03

Abstract：Gas storage is an important method of staggering peak production for gas pipeline transmission. To design and utilize underground gas storage tank effectively， the mechanism of the construction of gas storage， injection-production parameters， and operation control have been studied. According to the structural characteristics of gas storage cylinder， three-dimensional string mechanical model is established. The string stress， erosion， de-liquidizing， and annulus nitrogen gas column pressure have been analyzed， and then a set of gas storage GasPAD - Stor injection-production optimization design analysis software has been developed. The software contains gas storage capacity design， operation optimization， peak regulation design， injection-production capacity analysis， injection-production string design， ground process design， economic evaluation and other functional modules. The software adopts C/S architecture， and users can configure it according to actual needs. This software provides technical research method for dynamic simulation， operation and staggering peak production of gas storage and production.

Keywords：Gas storage; Operation optimization; Force analysis; Staggering peak produciton; Erosion

1 前言

在天然氣供應(yīng)與消費(fèi)之間，一直存在著連續(xù)供氣與消費(fèi)需求量季節(jié)、晝夜不均衡性的矛盾，解決這一矛盾的主要措施是實(shí)行天然氣儲(chǔ)備。地下儲(chǔ)氣庫(kù)利用封閉的較深地層構(gòu)造儲(chǔ)氣，具有儲(chǔ)氣容量大、壓力高、儲(chǔ)氣成本低的特點(diǎn)，現(xiàn)已成為當(dāng)今世界上主要的天然氣儲(chǔ)存方式[1～2]。地下儲(chǔ)氣庫(kù)是天然氣管道用戶的重要調(diào)峰手段，在解決用戶季節(jié)用氣不均衡問(wèn)題上發(fā)揮著重要作用[3]。隨著我國(guó)天然氣生產(chǎn)增加和日常生活普遍性，建造地下儲(chǔ)氣庫(kù)已成為發(fā)展天然氣供應(yīng)的緊迫課題，因此對(duì)地下儲(chǔ)氣庫(kù)技術(shù)的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在大張坨地下儲(chǔ)氣庫(kù)、板876地下儲(chǔ)氣庫(kù)、金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)等一系列的工程實(shí)踐研究的基礎(chǔ)上，北京雅丹石油技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司與中國(guó)石油大學(xué)對(duì)天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)的建庫(kù)機(jī)理、運(yùn)行控制、注采工藝參數(shù)分析優(yōu)化、注采管柱受力分析等進(jìn)行了大量的理論和技術(shù)研究，并編制了儲(chǔ)氣庫(kù)注采分析優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件GasPAD-Stor，為開(kāi)展地下儲(chǔ)氣庫(kù)注采動(dòng)態(tài)模擬、調(diào)峰優(yōu)化、安全運(yùn)行等提供了科學(xué)決策手段。

2 儲(chǔ)氣庫(kù)注采設(shè)計(jì)計(jì)算模型

2.1庫(kù)容計(jì)算模型。根據(jù)地下儲(chǔ)氣庫(kù)的地質(zhì)條件，可將地下儲(chǔ)氣庫(kù)分為枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)、枯竭油藏型儲(chǔ)氣庫(kù)、含水層型儲(chǔ)氣庫(kù)、鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)、廢棄礦穴儲(chǔ)氣庫(kù)。三種儲(chǔ)氣庫(kù)的庫(kù)容計(jì)算方法不同，軟件中提供了三種儲(chǔ)氣庫(kù)的庫(kù)容計(jì)算[4]。

3.1庫(kù)容設(shè)計(jì)。該模塊包括庫(kù)容參數(shù)設(shè)計(jì)、單井采氣能力計(jì)算和單井注氣能力計(jì)算三個(gè)個(gè)子模塊。軟件中提供了枯竭油藏型儲(chǔ)氣庫(kù)、含水層型儲(chǔ)氣庫(kù)、鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)三種儲(chǔ)氣庫(kù)的庫(kù)容計(jì)算;單井采氣能力計(jì)算包括試井產(chǎn)能分析和氣井產(chǎn)能分析，應(yīng)用二項(xiàng)式、指數(shù)式或者根據(jù)單井投產(chǎn)初期靜壓、流壓資料計(jì)算無(wú)阻流量。單井注氣能力計(jì)算根據(jù)垂直管流規(guī)律，井筒注氣量與氣層吸氣能力負(fù)相關(guān)，二者的交點(diǎn)就是注氣、吸氣平衡點(diǎn)，即為該井口壓力下實(shí)際最大注氣量[7]。

3.2運(yùn)行優(yōu)化。包括儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行周期確定、儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行壓力設(shè)計(jì)兩個(gè)子模塊。據(jù)供氣地區(qū)供氣量和用戶用氣不均勻系數(shù)，確定氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行周期，確定儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行的上限壓力和下限壓力，滿足生產(chǎn)正常進(jìn)行對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)最大庫(kù)容量、基礎(chǔ)墊氣量、附加墊氣量、總墊氣量、有效工作氣量。選用定容氣藏的物質(zhì)平衡方程式進(jìn)行該氣庫(kù)庫(kù)容量的分析計(jì)算。

3.3調(diào)峰設(shè)計(jì)。包括儲(chǔ)氣庫(kù)正常調(diào)峰方案設(shè)計(jì)和應(yīng)急供氣方案設(shè)計(jì)。據(jù)調(diào)峰量分配主塊運(yùn)行能力，即要求主塊滿足調(diào)峰能力，再根據(jù)IPR—沖蝕流量，計(jì)算不同壓力下的單井最大能力和需要的最少井?dāng)?shù)，通過(guò)不同氣層壓力下各井的極限產(chǎn)量來(lái)滿足應(yīng)急調(diào)峰能力。

3.4注采分析。包括溫度場(chǎng)壓力場(chǎng)、注采井節(jié)點(diǎn)分析、臨界攜液流量、沖蝕流量計(jì)算、摩阻計(jì)算、極限注氣速度確定以及油管尺寸選擇七個(gè)子模塊。軟件對(duì)井口、井底、地層、氣嘴和分離器等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，計(jì)算協(xié)調(diào)產(chǎn)量;并對(duì)關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。從滿足產(chǎn)能、沖蝕影響、臨界攜液、井筒條件綜合考慮，選擇儲(chǔ)氣庫(kù)注采井油管內(nèi)徑。

3.5管柱設(shè)計(jì)。該模塊包括工藝管柱設(shè)計(jì)、管柱力學(xué)分析、管柱完整性分析、環(huán)空氮?dú)庵鶋毫τ?jì)算和管柱防腐分析五個(gè)子模塊。綜合考慮各種井下因素、效應(yīng)，計(jì)算不同工況下管柱軸向力、側(cè)向力、管柱變形量、井口載荷、封隔器受力和環(huán)空氮?dú)庵鶋毫8]。采用等安全系數(shù)設(shè)計(jì)和等應(yīng)力范圍兩種設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)合理的油管組合[8]。然后校核油管安全強(qiáng)度，在校核時(shí)考慮了抗內(nèi)壓、抗外擠和拉應(yīng)力等關(guān)鍵參數(shù)。

3.6地面工藝設(shè)計(jì)。該模塊包括管道設(shè)計(jì)、管線防腐計(jì)算和注氣工藝參數(shù)設(shè)計(jì)三個(gè)子模塊。注氣井的注氣管線與采氣時(shí)共用一條管線，管徑設(shè)計(jì)滿足最大采氣時(shí)對(duì)管徑的要求，壁厚按注氣壓力設(shè)計(jì)。根據(jù)CO2腐蝕的判斷標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合儲(chǔ)氣庫(kù)天然氣組成，計(jì)算集氣上限CO2分壓，確定腐蝕等級(jí)。對(duì)注氣壓縮機(jī)工藝參數(shù)、注氣壓縮機(jī)選型和壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)、氣量調(diào)節(jié)[9]。建立國(guó)內(nèi)外主流壓縮機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)參數(shù)，推薦合適的壓縮機(jī)。包括類型、生產(chǎn)廠家等。

4 軟件優(yōu)勢(shì)

4.1全生命周期管理：涵蓋了儲(chǔ)氣庫(kù)全生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)管理、儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)容評(píng)價(jià)、產(chǎn)能評(píng)價(jià)、注采能力分析、注入和采出工況的受力分析、腐蝕計(jì)算、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等等，形成了氣井開(kāi)采的“閉環(huán)”優(yōu)化系統(tǒng);

4.2模型多樣性：包含了Hagedorn-Brown、Beggs-Brill、Duns-Ros、Okiszewski、Mukherjee-Brill等多種多相流模型;

4.3功能全面：軟件中包含了儲(chǔ)氣庫(kù)從投產(chǎn)的庫(kù)容計(jì)算，到最后的管柱腐蝕性計(jì)算，功能全面，滿足儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)過(guò)程中的需求;

4.4各庫(kù)相互協(xié)作：統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)、方法庫(kù)、知識(shí)庫(kù)等標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以靈活調(diào)度多庫(kù)協(xié)同;

4.5系統(tǒng)性和獨(dú)立性：各子系統(tǒng)和模塊使用統(tǒng)一的平臺(tái)架構(gòu)，即可以整體集成應(yīng)用，也可以單獨(dú)成軟件使用;第三方模型接口靈活配置;

4.6個(gè)性化定制：對(duì)于特殊的儲(chǔ)氣庫(kù)開(kāi)采，可增加特定的個(gè)性化功能。

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