鹽穴儲(chǔ)氣庫造腔節(jié)能優(yōu)化技術(shù)

肖恩山，劉繼芹，王曉剛，李淑平，井 崗

（中國石油西氣東輸管道公司儲(chǔ)氣庫項(xiàng)目部，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

鹽穴儲(chǔ)氣庫造腔節(jié)能優(yōu)化技術(shù)

肖恩山，劉繼芹，王曉剛，李淑平，井 崗

（中國石油西氣東輸管道公司儲(chǔ)氣庫項(xiàng)目部，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

為實(shí)現(xiàn)鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)降本增效，必須識(shí)別能耗關(guān)鍵點(diǎn)，針對(duì)注水造腔工藝過程進(jìn)行優(yōu)化，避免注水二次循環(huán)。在滿足造腔量及外輸鹵水濃度的要求下，應(yīng)用非線性規(guī)劃理論結(jié)合水溶造腔生產(chǎn)實(shí)際，建立多井溶腔工藝參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了多井溶腔工藝參數(shù)方案優(yōu)化，提高注水溶鹽效率。根據(jù)優(yōu)化方案，改造現(xiàn)場(chǎng)注水工藝流程，保證一次循環(huán)多井采鹵濃度滿足外輸要求，提高鹽穴儲(chǔ)氣庫建庫效率。通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工藝優(yōu)化后，改造后工藝流程有效降低單位造腔體積能耗41.18%，對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)具有重要意義。

鹽穴儲(chǔ)氣庫；溶腔；節(jié)能；工藝優(yōu)化；參數(shù)優(yōu)化；一次循環(huán)

隨著國內(nèi)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，天然氣需求量日益增加，為保證管輸穩(wěn)定，滿足下游市場(chǎng)需求，天然氣調(diào)峰問題日益突出，鹽穴儲(chǔ)氣庫因具有注采流量大、注采靈活，每年可進(jìn)行多輪次注采氣的特點(diǎn)而成為天然氣管道的重要配套設(shè)施。

鹽穴儲(chǔ)氣庫是利用淡水洗鹽形成相對(duì)密封的地下腔體[1]。金壇儲(chǔ)氣庫地處內(nèi)陸，水溶建腔工藝受淡水供應(yīng)量、鹽化鹵水消化量、鹵水外輸濃度、工藝流程等諸多限制因素限制。國外雖然有多年的注水造腔歷史，但因其巖層品相好、地處沿海可直排鹵水等天然優(yōu)勢(shì)，其工藝流程、成腔效率等相關(guān)理論在金壇儲(chǔ)氣庫適用性較差。金壇儲(chǔ)氣庫作為中國第一個(gè)鹽穴型儲(chǔ)氣庫，經(jīng)過十多年的建設(shè)歷史，積累了大量溶腔技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，掌握了循環(huán)模式優(yōu)化、阻溶劑界面控制、造腔預(yù)測(cè)模擬[2]等多方面技術(shù)。在目前加快儲(chǔ)氣庫建設(shè)，降本增效，提高成腔效率的背景下，通過溶腔模擬預(yù)測(cè)和生產(chǎn)實(shí)際，優(yōu)化造腔工藝流程，可較大降低投資成本。

1 問題闡述

1.1 目前工藝流程

金壇儲(chǔ)氣庫注水站目前注水溶腔地面工藝流程[3]（見圖1）。根據(jù)現(xiàn)有工藝，把所有注水井人為劃分為注淡水井和注鹵水井，淡水來自鹽化公司，鹽化公司對(duì)鹵水接受濃度有具體要求，達(dá)標(biāo)的鹵水最終外輸回鹽化，濃度不達(dá)標(biāo)鹵水回注入其他腔體。其中:鹽化淡水供應(yīng)量、淡水注入總量及外輸鹵水總量在實(shí)際生產(chǎn)中相等（以小時(shí)為單位），淡鹵水回罐量與注鹵水井的總注鹵水量相等（以小時(shí)為單位），不然會(huì)發(fā)生系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)。

淡水經(jīng)管線進(jìn)入站內(nèi)，通過注水泵增壓[4]后經(jīng)高壓閥組間及淡水高壓匯管注入各造腔井，溶鹽后形成鹵水回到站內(nèi)低壓閥組間低壓匯管，一部分井產(chǎn)生的濃度滿足要求的鹵水進(jìn)入外輸匯管，另一部分井產(chǎn)生的濃度不達(dá)標(biāo)鹵水進(jìn)入回罐匯管，回罐后的淡鹵水再次經(jīng)過注水泵增壓，由鹵水高壓匯管再分別注入部分造腔井，此部分稱為二次循環(huán)過程。二次循環(huán)后的鹵水回到站內(nèi)低壓外輸匯管，與一次循環(huán)形成的鹵水組成綜合濃度達(dá)標(biāo)的鹵水外輸鹽化公司。

1.2 目前工藝流程存在的問題

目前工藝流程復(fù)雜，在淡水供給量一定的情況下，為達(dá)到最大溶腔量，部分采出淡鹵水需要回罐再進(jìn)行二次循環(huán)，此過程需要建設(shè)淡水罐進(jìn)行緩沖及鹵水泵增壓。

圖1 金壇儲(chǔ)氣庫注水溶腔工藝流程示意圖

淡鹵水溶腔效率值低，是嚴(yán)重的耗能過程，導(dǎo)致能源消耗投資過大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溶腔實(shí)際情況，經(jīng)過一次循環(huán)后（非新井），鹵水濃度都在220 g/L以上，按此濃度計(jì)算，即使經(jīng)二次循環(huán)后鹵水濃度達(dá)到飽和（320 g/L），等量流體注入量二次循環(huán)與一次循環(huán)相比，消耗同樣的能量卻只能增加100 g/L的濃度，等量注入流體溶蝕的鹽巖少，溶腔效率不及一次循環(huán)。一次循環(huán)的效率要高于二次循環(huán)50%以上。

但在實(shí)際生產(chǎn)中，一次循環(huán)的排除鹵濃度又達(dá)不到鹽化的接收要求，在淡水量和鹽化接收量有限的情況下，又要使排出的鹵水濃度盡可能高，研究最經(jīng)濟(jì)的溶腔工藝流程、參數(shù)是需要解決的問題。

2 節(jié)能優(yōu)化技術(shù)方案分析

2.1 理論模型

根據(jù)非線性規(guī)劃理論和水溶建腔[5]的生產(chǎn)實(shí)際建立的多井溶腔工藝參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型[6]計(jì)算得到最大造腔量和最小回罐量?jī)煞N多井造腔工藝參數(shù)優(yōu)化方案，采用該模型，合理配置造腔井?dāng)?shù)并合理分配各井的循環(huán)模式、注入工質(zhì)和注入量等參數(shù)，可以得到最優(yōu)多井工藝參數(shù)配置方案[6]。

實(shí)際溶腔井口數(shù)記為N。對(duì)于第i個(gè)注水口，其循環(huán)模式為，注入量為xi2，注入工質(zhì)濃度為xi3，內(nèi)外管深度分別為xi4、xi5，排出鹵水去向?yàn)閤i6；另外，對(duì)于第i個(gè)注水接口，對(duì)應(yīng)的排鹵濃度為ci=C（xi），對(duì)應(yīng)的排量為pi=P（xi），xi為一維向量。當(dāng)xi=1時(shí)，表示正循環(huán)，當(dāng)xi=0時(shí)，表示反循環(huán)；當(dāng)xi6=1時(shí)，表示去向?yàn)橥廨敚划?dāng)xi6=0時(shí)，表示去向?yàn)榛毓蕖Ｗ⑷氲牡u水濃度為U，外輸鹵水綜合濃度G。

有井的淡水注入總量H1均需與淡水供應(yīng)量平衡:

所有井的回罐量總量H2均需與淡鹵水注入總量平衡:

要取得最大化的造腔量，必將導(dǎo)致更多的能耗。從系統(tǒng)能量平衡的角度來看，減少回罐量可以降低系統(tǒng)整體能耗，但也會(huì)導(dǎo)致造腔量的減少。因此，分別以最佳回罐量和最大造腔量為目標(biāo)函數(shù)，建立多元非線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型[5]。

最大造腔量模型如下:

最佳回罐量模型如下:

從整體造腔參數(shù)優(yōu)化方案及其實(shí)踐可知:影響外輸鹵水綜合濃度的主要影響參數(shù)為循環(huán)方式、注入量、注入工質(zhì)。

本文研究的是極端最佳模式及一次循環(huán)下的溶腔情況，所以注入工質(zhì)始終為淡水，濃度為0。

因此，從其理論中可得到要實(shí)現(xiàn)一次循環(huán)的兩個(gè)條件:（1）需要更多井采用反循環(huán)模式造腔，排鹵濃度高，造腔效率高；（2）采用正循環(huán)造腔模式造腔并配合注入低排量，保證較高的排鹵濃度。

2.1.1 驗(yàn)證循環(huán)方式對(duì)排鹵濃度的影響 取T7井在其他工況相同條件下，正反兩種循環(huán)方式穩(wěn)定狀態(tài)下各20 d的排鹵濃度（見表1）。

表1 正反兩種循環(huán)方式穩(wěn)定狀態(tài)下各20 d的排鹵濃度

圖2 T7井兩種循環(huán)模式下排鹵濃度對(duì)比圖

T7井在同一個(gè)階段，采用不同的循環(huán)方式，在相同排量穩(wěn)定的狀態(tài)下，由圖2可明顯看出反循環(huán)模式排鹵濃度要比正循環(huán)模式排鹵濃度高20 g/L以上。

2.1.2 驗(yàn)證注入量對(duì)排鹵濃度的影響 取T7井在其他工況相同條件下，兩種不同排量穩(wěn)定狀態(tài)下各20 d的排鹵濃度（見表2）。

表2 不同排量穩(wěn)定狀態(tài)下各20 d的排鹵濃度

表2 不同排量穩(wěn)定狀態(tài)下各20 d的排鹵濃度（續(xù)表）

T7井在同一個(gè)階段，在不相同排量穩(wěn)定的狀態(tài)下，由圖3可明顯看出小排量（30 m3/h）排鹵濃度要比高排量（70 m3/h）排鹵濃度高20 g/L左右。

圖3 T7井兩種排量下排鹵濃度對(duì)比圖

2.2 節(jié)能優(yōu)化方案可行性分析

（1）目前溶腔設(shè)計(jì)人員已掌握了多階段實(shí)現(xiàn)反循環(huán)模式的設(shè)計(jì)方法，在無特殊地質(zhì)或情況突發(fā)的條件下，除了首位兩個(gè)階段都可以進(jìn)行反循環(huán)溶腔。

（2）反循環(huán)界面控制技術(shù)[7]能滿足反循環(huán)溶腔的現(xiàn)場(chǎng)需求。目前擁有的見面檢測(cè)技術(shù)包括光纖式油水界面儀檢測(cè)法、高能中子測(cè)井等，保證了反循環(huán)模式在溶腔階段的實(shí)施。

（3）減小排量能提高排鹵濃度，但需要的注水井增加。金壇儲(chǔ)氣庫溶腔井接近30口，即使小排量也能滿足鹽化的需求。實(shí)踐證明，小排量也有助于控制腔體形狀。

圖4 金壇儲(chǔ)氣庫東站注水溶腔一次循環(huán)工藝流程示意

3 節(jié)能優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用效果

3.1 站內(nèi)流程的優(yōu)化

經(jīng)過工藝改進(jìn)后使用一次循環(huán)工藝流程（見圖4），工藝流程簡(jiǎn)化，無需建設(shè)鹵水緩沖罐、鹵水泵機(jī)組及備用機(jī)組、淡鹵集輸管線等設(shè)備設(shè)施。在淡水供給量一定的情況下，開啟同樣的淡水泵機(jī)組就能滿足排出鹵水要求。對(duì)其他儲(chǔ)氣庫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也具有指導(dǎo)作用。

3.2 能耗對(duì)比分析

2015年和2016年造腔體積和用電情況對(duì)比（見表3）。

表3 2015-2016年度造腔體積和用電成本統(tǒng)計(jì)

以上統(tǒng)計(jì)的截止時(shí)間為2016年12月21日，造腔體積和用電費(fèi)用均已核實(shí)。

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)，單位造腔體積電費(fèi)減少41.18%。如果2016年度仍然按照2015年度的造腔工藝流程，沒有減少二次循環(huán)的情況下，那么完成2016年度113× 104m3造腔體積，需要投入的用電成本將增加1 368.1萬元。

4 注意的問題

（1）不同的腔體形狀和大小，對(duì)幾個(gè)參數(shù)變換的響應(yīng)程度是不同的，驗(yàn)證的是參數(shù)對(duì)腔體的排鹵濃度產(chǎn)生的是正影響還是負(fù)影響。

（2）節(jié)能優(yōu)化適用于受淡水供應(yīng)量、鹽化鹵水消化量、鹵水外輸濃度、工藝流程等諸多因素限制的情況下。當(dāng)外部條件發(fā)生改變時(shí)，尤其是淡水供應(yīng)量和鹵水外輸濃度不受限制時(shí)，溶腔工藝會(huì)更簡(jiǎn)單，能耗會(huì)更低。

5 結(jié)論

（1）儲(chǔ)氣庫造腔節(jié)能優(yōu)化后，注水溶腔地面工藝流程得到簡(jiǎn)化，可以減少站內(nèi)鹵水緩沖罐、鹵水泵機(jī)組及備用機(jī)組、淡鹵集輸管線等設(shè)備設(shè)施，同時(shí)也可減少相應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行及維護(hù)保養(yǎng)成本，從建設(shè)和后期運(yùn)行兩方面減少建庫投資。

（2）儲(chǔ)氣庫溶腔過程中電能消耗占投資能耗比重大，通過造腔節(jié)能優(yōu)化技術(shù)對(duì)前工藝改進(jìn)后，工藝流程有效降低單位造腔體積用電能耗41.18%，能有效的實(shí)現(xiàn)降本增效。

（3）先進(jìn)的注水溶腔工藝是鹽穴儲(chǔ)氣庫降本增效的前提和基礎(chǔ)，溶腔節(jié)能優(yōu)化是在溶腔數(shù)值模擬、界面控制、鹽穴儲(chǔ)氣庫溶腔地面工藝等技術(shù)完善的情況下實(shí)現(xiàn)的。

［1］李建中，李奇，胥洪成.鹽穴地下儲(chǔ)氣庫氣密封檢測(cè)技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（5）:90-92.

［2］SABERIAN A.Numerical simulation of development of solutionmined storage cavities［D］.Austin:The University of Texas at Austin，1974:4-5.

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［5］趙志成，朱維耀，萬玉金，等.鹽穴儲(chǔ)氣庫水溶建腔機(jī)理研究［J］.石油勘探與開發(fā)，2003，30（5）:107-109.

［6］耿凌俊，李淑平，吳斌，等.鹽穴儲(chǔ)氣庫注水站整體造腔參數(shù)優(yōu)化［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2016，35（7）:779-783.

［7］董建輝，袁光杰，申瑞臣，等.鹽穴儲(chǔ)氣庫腔體形態(tài)控制新方法［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28（12）:35-37.

Energy-saving optimization technology of salt cavern gas storage

XIAO Enshan，LIU Jiqin，WANG Xiaogang，LI Shuping，JING Gang
（Gas Storage Project Department of PetroChina West-East Gas Pipeline Company，Zhenjiang Jiangsu 212000，China）

In order to realize the cost reduction of salt cavern gas storage,it is necessary to identify the key points of energy consumption,and to optimize the process of water injection cavity to avoid secondary circulation of water injection.Under the requirement of satisfying the amount of cavity and the concentration of brine,the mathematical model of optimization parameters of multi-well cavity was established by using non-linear programming theory combined with the actual production of water-soluble cavity.The process parameters of multi-well cavity were optimized to improve the efficiency of water injection.According to the optimization plan,the field water injection process is reformed to ensure that the concentration of multiple wells in a single cycle meet the requirements of external transmission and improve the efficiency of salt storage.Through the field to optimize the former process,after the transformation of the process to effectively reduce the unit cavity volume energy consumption of 41.18%,the construction of salt caverns is of great significance.

salt cavern gas storages；solution mining；energy saving；process optimization；parameter optimization；one cycle

TE822

A

1673-5285（2017）04-0077-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.04.020

2017－04-04