儲氣庫注采分析優化設計軟件GasPAD—Stor的研制

高照敏 宋文容 田軍 陳濤 郝濤 宋健

摘要：儲氣庫建設是天然氣管道生產的重要調峰手段。為了更有效地設計和利用地下儲氣庫，本文研究了儲氣庫的建庫機理、注采參數、運行控制。根據儲氣庫管柱結構特點，建立了三維管柱受力模型，分析計算了管柱受力、沖蝕、攜液、環空氮氣柱壓力等重要參數，研發了一套儲氣庫注采分析優化設計軟件GasPAD-Stor。該軟件具備儲氣庫庫容設計、運行優化、調峰設計、注采能力分析、注采管柱設計、地面工藝設計、經濟評價等功能。軟件采用C/S架構，用戶可以根據實際需要配置軟件模塊。該軟件為開展儲氣庫注采動態模擬、運行、調峰等提供了研究手段。

關鍵詞：儲氣庫；運行優化；管柱受力分析；調峰設計；沖蝕

中圖分類號：TE972.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2019）04-0012-05

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

在天然氣供應與消費之間，一直存在著連續供氣與消費需求量季節、晝夜不均衡性的矛盾，解決這一矛盾的主要措施是實行天然氣儲備。地下儲氣庫利用封閉的較深地層構造儲氣，具有儲氣容量大、壓力高、儲氣成本低的特點，現已成為當今世界上主要的天然氣儲存方式[1～2]。地下儲氣庫是天然氣管道用戶的重要調峰手段，在解決用戶季節用氣不均衡問題上發揮著重要作用[3]。隨著我國天然氣生產增加和日常生活普遍性，建造地下儲氣庫已成為發展天然氣供應的緊迫課題，因此對地下儲氣庫技術的研究具有非常重要的現實意義。

在大張坨地下儲氣庫、板876地下儲氣庫、金壇鹽穴儲氣庫等一系列的工程實踐研究的基礎上，北京雅丹石油技術開發有限公司與中國石油大學對天然氣地下儲氣庫的建庫機理、運行控制、注采工藝參數分析優化、注采管柱受力分析等進行了大量的理論和技術研究，并編制了儲氣庫注采分析優化設計軟件GasPAD-Stor，為開展地下儲氣庫注采動態模擬、調峰優化、安全運行等提供了科學決策手段。

2 儲氣庫注采設計計算模型

2.1 庫容計算模型

根據地下儲氣庫的地質條件，可將地下儲氣庫分為枯竭氣藏型儲氣庫、枯竭油藏型儲氣庫、含水層型儲氣庫、鹽穴型儲氣庫、廢棄礦穴儲氣庫。三種儲氣庫的庫容計算方法不同，軟件中提供了三種儲氣庫的庫容計算[4]。

3.2 庫容設計

該模塊包括庫容參數設計、單井采氣能力計算和單井注氣能力計算三個個子模塊。軟件中提供了枯竭油藏型儲氣庫、含水層型儲氣庫、鹽穴型儲氣庫三種儲氣庫的庫容計算；單井采氣能力計算包括試井產能分析和氣井產能分析，應用二項式、指數式或者根據單井投產初期靜壓、流壓資料計算無阻流量。單井注氣能力計算根據垂直管流規律，井筒注氣量與氣層吸氣能力負相關，二者的交點就是注氣、吸氣平衡點，即為該井口壓力下實際最大注氣量[7]。

3.2 運行優化

包括儲氣庫運行周期確定、儲氣庫運行壓力設計兩個子模塊。據供氣地區供氣量和用戶用氣不均勻系數，確定氣藏儲氣庫的運行周期，確定儲氣庫運行的上限壓力和下限壓力，滿足生產正常進行對儲氣庫最大庫容量、基礎墊氣量、附加墊氣量、總墊氣量、有效工作氣量。選用定容氣藏的物質平衡方程式進行該氣庫庫容量的分析計算。

3.3 調峰設計

包括儲氣庫正常調峰方案設計和應急供氣方案設計。據調峰量分配主塊運行能力，即要求主塊滿足調峰能力，再根據IPR—沖蝕流量，計算不同壓力下的單井最大能力和需要的最少井數，通過不同氣層壓力下各井的極限產量來滿足應急調峰能力。

3.4 注采分析

包括溫度場壓力場、注采井節點分析、臨界攜液流量、沖蝕流量計算、摩阻計算、極限注氣速度確定以及油管尺寸選擇七個子模塊。軟件對井口、井底、地層、氣嘴和分離器等節點進行分析，計算協調產量；并對關鍵生產參數進行敏感性分析。從滿足產能、沖蝕影響、臨界攜液、井筒條件綜合考慮，選擇儲氣庫注采井油管內徑。

3.7 管柱設計

該模塊包括工藝管柱設計、管柱力學分析、管柱完整性分析、環空氮氣柱壓力計算和管柱防腐分析五個子模塊。綜合考慮各種井下因素、效應，計算不同工況下管柱軸向力、側向力、管柱變形量、井口載荷、封隔器受力和環空氮氣柱壓力[8]。采用等安全系數設計和等應力范圍兩種設計原則，設計合理的油管組合[8]。然后校核油管安全強度，在校核時考慮了抗內壓、抗外擠和拉應力等關鍵參數。

3.8 地面工藝設計

該模塊包括管道設計、管線防腐計算和注氣工藝參數設計三個子模塊。注氣井的注氣管線與采氣時共用一條管線，管徑設計滿足最大采氣時對管徑的要求，壁厚按注氣壓力設計。根據CO2腐蝕的判斷標準，結合儲氣庫天然氣組成，計算集氣上限CO2分壓，確定腐蝕等級。對注氣壓縮機工藝參數、注氣壓縮機選型和壓縮機臺數、氣量調節[9]。建立國內外主流壓縮機數據庫，根據設計的壓縮機參數，推薦合適的壓縮機。包括類型、生產廠家等。

4 軟件優勢

（1）全生命周期管理：涵蓋了儲氣庫全生命周期內的數據管理、儲氣庫庫容評價、產能評價、注采能力分析、注入和采出工況的受力分析、腐蝕計算、經濟評價等等，形成了氣井開采的“閉環” 優化系統；

（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；

（3）功能全面：軟件中包含了儲氣庫從投產的庫容計算，到最后的管柱腐蝕性計算，功能全面，滿足儲氣庫生產過程中的需求；

（4）各庫相互協作：統一的數據庫、模型庫、方法庫、知識庫等標準，用戶可以靈活調度多庫協同；

（5）系統性和獨立性：各子系統和模塊使用統一的平臺架構，即可以整體集成應用，也可以單獨成軟件使用；第三方模型接口靈活配置；

（6）個性化定制：對于特殊的儲氣庫開采，可增加特定的個性化功能。

5 結論

綜上所述，該軟件功能包括：儲氣庫庫容設計、運行優化、調峰設計、注采能力分析、注采管柱設計、地面工藝設計、經濟評價等；同時具有全生命周期管理、模型多樣性、功能全面、各庫相互協作、系統性和獨立性、個性化定制的特點，為開展儲氣庫注采動態模擬、運行、調峰等提供了研究手段。

參考文獻：

[1] 陸爭光. 皮禮仕；曹棟梁等.分階段推進我國地下儲氣庫發展的探討[J] 天然氣技術與經濟，2017.

[2] 袁光杰；楊長來；王 斌等.國內地下儲氣庫鉆完井技術現狀分析[J] 鉆井工程，2013.2.

[3] 張冶.L油田儲氣庫調峰能力分析及應用[J]，大慶石油地質與開發，2015.6.

[4] 譚羽非等.天然氣地下儲氣庫技術及數值模擬[M].石油工業出版社，2007.

[5] 蔣敏；檀朝東；李雋等. 儲氣庫井油套環空注保護液和氮氣柱對比[J]，石油學報，2017.10.

[6] 李子豐，馬興瑞，黃文虎. 鉆柱力學基本方程及其應用[J].力學學報，1995，27（4）.

[7] 張琪.采油工程原理與設計[M].山東：石油大學出版社，2001年.

[8] 項勇；薛婷；隋蕾等.儲氣庫氣井管柱受力分析設計軟件的研制和應用[J]，中國石油和化工，2011.11.

[9] 周磊；楊成；張曉花等.一種地下儲氣庫注氣壓縮機高效選型新技術[J]， 現代化工，2015.10.