地下儲氣庫多周期運行注采氣能力預(yù)測方法

陽小平 程林松 何學(xué)良 耿 彤 李 春

1．中國石油大學(xué)（北京） 2．中國石油北京天然氣管道有限公司3．中國石油華北油田公司采油工藝研究院 4．中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院

注采氣能力預(yù)測是地下儲氣庫安全運行的核心技術(shù)之一，可為地下儲氣庫運行動態(tài)分析、運行措施調(diào)整及優(yōu)化配產(chǎn)配注等提供依據(jù)。中國目前僅建有9座用于城市調(diào)峰的氣藏型地下儲氣庫，位于中國石油大港油田公司板橋油氣區(qū)和華北地區(qū)，這9座地下儲氣庫的陸續(xù)建成極大地緩解了京津冀地區(qū)天然氣冬季季節(jié)調(diào)峰的壓力，為陜京線的安全、平穩(wěn)供氣做出了重要貢獻(xiàn)［1－3］。但由于受該類地下儲氣庫運行周期短及運行經(jīng)驗欠缺的共同影響，在地下儲氣庫多周期運行注采氣能力評價方面還沒有建立全面、系統(tǒng)的預(yù)測模型和預(yù)測方法，同時，我國大規(guī)模的天然氣開發(fā)利用和天然氣長輸管道的興建也帶動了地下儲氣庫的需求和建設(shè)，迫切需要建立配套的地下儲氣庫多周期運行注采氣能力預(yù)測方法［4－5］。

1 地下儲氣庫多周期運行采氣能力預(yù)測模型

以有水氣藏型地下儲氣庫為研究對象，根據(jù)地下儲氣庫多周期運行盤庫分析方法［6－8］，利用地下儲氣庫盤庫庫容參數(shù)的定義，通過一系列數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可建立地下儲氣庫多周期運行注采氣能力預(yù)測數(shù)學(xué)模型。

地下儲氣庫多周期運行采氣能力為地下儲氣庫從采氣初期的地層壓力運行到設(shè)計下限壓力時能夠采集的氣量，即為地下儲氣庫多周期運行采氣初期的庫存量與采氣末期的總墊氣量之差：

運用地下儲氣庫多周期運行盤庫方法，利用地下儲氣庫庫存量計算數(shù)學(xué)模型［7－9］，可得到地下儲氣庫多周期運行采氣初期的庫存量［Grin（i）］，而地下儲氣庫多周期運行采氣末期的總墊氣量為上一運行周期采氣末期的庫存量減去剩余工作氣量再加上運行周期的墊氣變化量，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

將式（2）代入式（1），可推導(dǎo)出地下儲氣庫多周期運行采氣能力預(yù)測數(shù)學(xué)模型：

式（3）表明，地下儲氣庫多周期運行采氣能力為地下儲氣庫多周期運行的實際注氣量加上一運行周期的剩余工作氣量再減去運行周期的墊氣變化量。該數(shù)學(xué)模型簡單明了，含義明確，方便實用。

2 地下儲氣庫多周期運行注氣能力預(yù)測模型

地下儲氣庫多周期運行注氣能力為地下儲氣庫從注氣初期的地層壓力運行到設(shè)計上限壓力時能夠注入的氣量，注氣量包括3部分：①填補(bǔ)地下儲氣庫因上一運行周期采出的氣量而需要完全補(bǔ)充的氣量；②地下儲氣庫因本周期擴(kuò)容而需要補(bǔ)充的墊氣量；③工作氣量。因此，地下儲氣庫多周期運行注氣能力為這3部分氣量之和，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

將地下儲氣庫墊氣變化率和工作氣量變化率定義及其數(shù)學(xué)表達(dá)式帶入式（4）可推導(dǎo)出地下儲氣庫多周期運行注氣能力預(yù)測數(shù)學(xué)模型為［10－12］：

其中Esh（i）為墊氣變化率，表示墊氣變化量占注氣量的百分比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Ew（i）為工作氣量變化率，表示工作氣量變化量占注氣量的百分比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

3 應(yīng)用實例

3．1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

國內(nèi)某氣藏型地下儲氣庫設(shè)計運行壓力區(qū)間為26．5～13．0MPa，建庫前剩余地質(zhì)儲量為1．59×108m3，地層壓力為8．29MPa，地層溫度為85℃，地層剩余凝析氣相對密度為0．67；改建地下儲氣庫后，注入干氣相對密度為0．59，目前已完成了6個注采運行周期，累積注氣量為6．19×108m3，累積采氣量為4．82×108m3，凈注氣量為1．37×108m3，運行動態(tài)數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 某地下儲氣庫多周期運行動態(tài)數(shù)據(jù)表

3．2 預(yù)測步驟

1）計算地下儲氣庫多周期運行盤庫庫容參數(shù)。

2）求取地下儲氣庫各運行周期墊氣變化率及工作氣量變化率。

3）預(yù)測地下儲氣庫本運行周期墊氣變化率及工作氣量變化率。

4）利用式（3）、（5）預(yù)測地下儲氣庫本周期注采氣能力。

3．3 預(yù)測結(jié)果

利用地下儲氣庫多周期運行動態(tài)數(shù)據(jù)（表1），計算得到地下儲氣庫多周期運行庫容量、墊氣量及其變化率、工作氣量及其變化率等庫容參數(shù)值（表2），通過分析庫容參數(shù)變化規(guī)律，預(yù)測地下儲氣庫下周期墊氣變化率及工作氣量變化率分別為2．5%、1．0%。

表2 某地下儲氣庫多周期運行庫容參數(shù)表

利用地下儲氣庫多周期運行注采氣能力預(yù)測數(shù)學(xué)模型，預(yù)測地下儲氣庫注氣期地層壓力從上周期采氣末期的14．8MPa運行到設(shè)計上限壓力26．5MPa時，地下儲氣庫注氣量為1．08×108m3。同時，預(yù)測地下儲氣庫采氣期地層壓力從26．5MPa運行到設(shè)計下限壓力13．0MPa時，地下儲氣庫采氣量為1．20×108m3。地下儲氣庫多周期運行注采氣能力預(yù)測與實際運行結(jié)果對比情況見圖1。

圖1 地下儲氣庫多周期運行注采氣能力預(yù)測與實際運行結(jié)果對比圖

3．4 預(yù)測結(jié)果分析

1）地下儲氣庫多周期運行注采氣能力預(yù)測模型預(yù)測結(jié)果與實際運行結(jié)果十分相近，表明所建立的預(yù)測模型適用性較好，模型預(yù)測精度能夠滿足現(xiàn)場要求；目前該方法已應(yīng)用于已建地下儲氣庫多周期運行注采氣能力預(yù)測及優(yōu)化配產(chǎn)配注中，現(xiàn)場應(yīng)用效果較好。

2）模型預(yù)測結(jié)果的可靠程度依賴于地下儲氣庫的墊氣變化率及工作氣量變化率等參數(shù)，通過地下儲氣庫多周期運行動態(tài)分析并準(zhǔn)確把握庫容參數(shù)未來變化趨勢，能夠合理預(yù)測及評價地下儲氣庫注采氣能力變化。

4 結(jié)論

1）利用地下儲氣庫盤庫庫容參數(shù)的定義，創(chuàng)建了地下儲氣庫多周期運行注采氣能力預(yù)測數(shù)學(xué)模型，實例計算驗證了該預(yù)測模型的正確性。

2）建立的預(yù)測方法已應(yīng)用于我國已建地下儲氣庫多周期運行注采氣能力預(yù)測及優(yōu)化配產(chǎn)配注中，現(xiàn)場應(yīng)用效果較好，進(jìn)一步提高了地下儲氣庫運行效率，也為國內(nèi)同類地下儲氣庫的運行提供了借鑒。

3）通過地下儲氣庫多周期運行動態(tài)分析并準(zhǔn)確把握庫容參數(shù)未來變化趨勢，能夠合理預(yù)測并評價地下儲氣庫注采氣能力的變化，從而為地下儲氣庫的優(yōu)化調(diào)整、配產(chǎn)配注等提供科學(xué)依據(jù)。

符 號 說 明

Gp（i）為地下儲氣庫采氣 能力，108m3；Grin（i）為地下 儲氣庫注氣末期庫存量，108m3；Grmin（i）為地下儲氣庫墊氣量，108m3；Gr（i－1）為地下儲氣庫上一運行周期采氣末期庫存量，108m3；Gw（i－1）為地下儲氣庫上一運行周期剩余工作氣量，108m3；Qsh（i）為地下儲氣庫墊氣變化量，108m3；Qin（i）為地下儲 氣庫注氣量，108m3；Gin（i）為地下儲氣庫注氣能力，108m3；Qp（i－1）為地下儲氣庫上一運行周期注氣量，108m3；Qw（i）為地下儲氣庫工作氣量變化量，108m3；Esh（i）為地下儲氣庫墊氣量變化率；Ew（i）為地下儲氣庫工作氣量變化率。

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