山東菏澤鹽穴儲氣庫注采氣規模設計方法

巴金紅 任憑 金作良 王建夫 齊磊

1江蘇國能石油天然氣有限公司

2中國石油儲氣庫分公司

3中國石油鹽穴儲氣庫技術研究中心

鹽穴儲氣庫是地下儲氣庫的主要類型之一，具有密封性好、注采速率快、注采頻率高以及墊底氣可回收等優點[1-3]。鹽穴儲氣庫的注采氣規模設計多是根據經驗確定，缺乏科學合理的評價指標。隨著項目建設運行，部分項目在注采氣規模方面存在設計不足的情況，鹽穴注采氣能力無法充分發揮，不能完全滿足天然氣市場調峰需求。以金壇儲氣庫為例，近幾年已經連續多次發生下游需求大于極限采氣能力的情況[4-5]。目前金壇儲氣庫正在擴建，計劃在原注氣、采氣能力500×104m3/d、1 500×104m3/d（包含應急采氣900×104m3/d）的基礎上增加注氣能力500×104m3/d、采氣能力1 200×104m3/d。相國寺儲氣庫也存在原設計注采能力明顯不滿足市場需求而不得不進行擴容擴產的情況，2021 年計劃在原采氣能力2 450×104m3/d 的基礎上擴產至2 850×104m3/d，后續擴能計劃還在設計中。呼圖壁、雙6、蘇橋等國內多個儲氣庫都存在類似情況（表1）。

表1 國內部分儲氣庫庫容工作氣與采氣規模Tab.1 Storage capacity，working gas volume，and gas production scale of some domestic gas storages

為避免后續儲氣庫建設發生此類問題，科學合理設計鹽穴儲氣庫注采氣規模十分必要。鹽穴儲氣庫注采氣規模設計總體考慮三個原則：滿足本省及周邊地區天然氣調峰要求；滿足儲氣庫腔體及井筒的安全極限采氣能力；滿足儲氣庫市場運行條件下經濟效益最大化?；诖耍岢隽艘环N鹽穴儲氣庫注采氣規模設計方法。建立了單腔注采氣能力計算模型，以山東菏澤鹽穴儲氣庫為例進行計算。結合山東省天然氣市場調峰需求，兼顧經濟效益確定了該庫的注采氣規模。該方法將鹽穴儲氣庫注采氣規模設計科學化、規范化，能夠更好發揮鹽穴儲氣庫靈活調峰能力，凸顯鹽穴儲氣庫應急調峰作用，實現鹽穴儲氣庫經濟效益最大化。

1 單腔注采氣能力計算模型

鹽穴儲氣庫是在鹽巖溶腔中儲存天然氣，與常規多孔介質氣藏不同，開采過程不受流入動態的約束，只受流出動態影響[6-7]。因此，溶腔的日采氣能力受到以下3個因素限制：注采管柱尺寸及井口沖蝕流量、腔體體積和壓降速度限制流量、天然氣水合物限制流量。

1.1 注采管柱尺寸及井口沖蝕流量

氣體沖蝕是指高速流動的氣體攜帶液滴、固體顆粒或CO2、H2S 作用在套管時，對套管產生的切斷、剝落或刺穿等沖蝕破壞。一旦天然氣從井口泄漏，將發生大火，需要重點考慮。由于最大流速出現在井口，注采氣時沖蝕破壞一般也發生在該位置，所以選擇井口壓力來計算沖蝕流量。注采氣能力通過垂直管流方程和沖蝕流量計算公式計算，溶腔的采氣能力由垂直管流和沖蝕流量計算公式[8]共同確定。

1.1.1 垂直管流公式

式中：pwf為井底流動壓力，MPa；pwh為井口流動壓力（氣體相對密度）=0.588；H為油管長度，m；-T為井筒氣柱平均溫度，322 K，地面溫度293 K，地下鹽腔溫度351 K；-Z為平均壓縮因子；f為油管摩阻系數，根據采氣速度、管徑、絕對粗糙度計算；qg為天然氣日產量，104m3/d；D為油管內徑，cm；e 為自然常數，2.71。

1.1.2 沖蝕流量計算公式

式中：qe為受沖蝕流速約束的油管通過能力，104m3/d；A為油管截面積，m2；p為井口壓力，MPa。

1.1.3 壓縮因子Z計算

天然氣壓縮因子是給定溫度和壓力條件下，一定量真實氣體所占的體積與相同溫度、壓力下等量理想氣體所占體積的比值，天然氣壓縮因子與氣體組分、壓力和溫度有關。確定壓縮因子的方法有圖版法和計算方法，計算方法分擬合法和采用狀態方程法，下面為經驗公式計算壓縮因子，計算壓力低于35 MPa[9]：

式中：ppr為天然氣的視對比壓力；Tpr為天然氣的視對比溫度；ρpr為無因次對比密度，計算采用迭代法。已知p、T，計算Z的計算流程如下：①根據所給條件，計算Tpc、ppc；②根據給定的p、T，計算Tpr、ppr；③賦初值，取Z0=1，計算ρpr；④將ρpr帶入求Z，將Z帶入求ρpr，反復5次即可。

1.1.4 天然氣黏度μg計算

LEE、GONZALEZ 和EAKIN 等人根據4 個石油公司提供的8個天然氣樣品，在溫度37.8 ℃～171.2 ℃和壓力0.101 3～55.158 MPa 的條件下，進行黏度和密度實驗測定，得到下列相關經驗方程，對純烴類氣體的最大偏差±3%，最大偏差約±10%[10]：

式中：μg為天然氣在P和T條件下的黏度，mPa·s；T為天然氣所處的溫度，K；M為天然氣相對分子質量，g/mol；ρg為天然氣的密度，g/cm3（壓力對天然氣黏度的影響，已經隱含在天然氣密度計算公式中）。

1.1.5 油管摩阻系數f計算

天然氣采氣量較大，可以認為是紊流，摩阻系數f采用Jain公式計算。

首先計算雷諾數Re，即

式中：qsc為標準工況下天然氣采氣速度，104m3/d；d為采氣管柱內徑，m。

用Jain公式計算f：

式中：Δ 為絕對粗糙度，0.000 015 2 m。

1.2 腔體體積和壓降速度限制流量

鹽穴儲氣庫儲存的天然氣庫容量、工作氣量可由氣體狀態方程來計算，通過不同壓力條件下的庫容量可以計算出采出或注入的天然氣量。

氣體狀態方程：

通過計算不同壓力下的庫容做差，得到可采出的天然氣量ΔVsc：

式中：Vsc為標況下天然氣體積，m3；Tsc為標況下溫度，293 K；psc為標況下壓力，0.101 MPa；Zsc為標況下壓縮因子，1；p為溶腔壓力，MPa；V為溶腔體積，m3；T為溶腔溫度，K；n為氣體摩爾數，kmol；Z為溶腔壓力溫度條件下的壓縮因子；R為通用氣體常數，0.008 31。

可見，對于給定體積的溶腔，可根據不同的壓降計算可采出或注入的天然氣量。

1.3 天然氣水合物限制流量

在一定溫度、壓力下，天然氣能夠與水結合，形成結晶狀水合物，也稱水合物。天然氣水合物是水和低分子量烴（C1～C4烴類可以形成水合物，C5及以上烴類不能形成水合物[11]）或非烴組分（CO2、H2S）所形成的的結晶狀籠型化合物（圖1）。形成原理為水分子借助氫鍵形成主體結晶網格，晶格中孔穴內充滿輕烴或非烴分子。

圖1 天然氣水合物及分子結構Fig.1 Natural gas hydrate and its molecular structure

水合物生成條件需要滿足有自由水存在、低溫、高壓條件。鹽穴儲氣庫由于注氣排鹵不徹底，鹽腔底部一般存在幾千至幾萬方剩余鹵水；最高運行壓力一般為套管鞋深度最小主應力的80%（可達7～32 MPa），而地面井口溫度與當地氣溫有關，寒冷的北方地區可達零下20～30 ℃。這些運行條件為水合物的生成創造條件，水合物一旦生成就會降低采氣量，甚至堵塞井筒或井口。

天然氣水合物生成壓力和溫度預測方法有查圖法、經驗公式法、相平衡計算法和統計熱力學法四大類。圖解法是礦場實際應用非常方便和有效的一種方法，使用時可根據天然氣相對密度計算某一壓力下水合物生成溫度。如果已知密度不在曲線上時，可用內插法確定水合物生成條件[9]。

已知天然氣相對密度和操作溫度，用線性內插法求生成水合物的壓力ph，內插公式為

已知天然氣相對密度和操作壓力，用線性內插法求生成水合物的溫度T，內插公式為

式中：γg為天然氣相對密度，γg1＜γg＜γg2；p1、p2為相對密度γg1、γg2的天然氣，在操作溫度下生成水合物的壓力，MPa；T1、T2為相對密度γg1、γg2的天然氣，在操作壓力下生成水合物的溫度，K。

為了便于計算也可將密度在0.5～1.0 g/L之間的天然氣水合物ph-T圖版回歸成公式

式中：p*為參考壓力，分別由以下回歸公式計算（表2）。

表2 參考壓力p*的擬合公式Tab.2 Fitting formula of reference pressure p*

注采氣時的井口和井底溫度壓力可采用相關熱力學模擬軟件來計算。將計算得到的井口或井底壓力溫度與水合物生成條件對比可知是否會生成水合物。如果預測有水合物生成，預防方法主要有井口加熱、注入抑制劑（如甲醇、乙二醇、二甘醇等）或調整注采氣制度等[12-13]。

1.4 注采氣能力分析軟件

為了便于計算，采用C#語言編制了儲氣庫注采氣能力計算軟件（圖2），可對安全極限注采氣能力進行分析。軟件主要功能有油管注采氣能力計算、腔體壓降采氣能力計算、天然氣壓縮因子計算、水合物生成壓力溫度曲線計算，且具有數據導出功能。

圖2 注采氣能力計算軟件Fig.2 Gas injection and production capacity calculation software

2 鹽穴儲氣庫注采氣規模設計

山東菏澤鹽穴儲氣庫位于山東省菏澤市單縣黃岡鎮南部，地處蘇魯豫皖四省交匯處的山東一側[14]。根據鉆遇鹽層情況，建庫深度選擇1 452～1 613 m，其鹽層累計厚度達132 m，含礦率達82%，不溶物平均含量26%，根據穩定性評價設計運行壓力在10～25 MPa，根據管道氣源組分（表3）計算出天然氣相對密度為0.588。

表3 菏澤儲氣庫天然氣組分Tab.3 Natural gas components of Heze Gas Storage 摩爾分數/%

2.1 安全極限注采氣能力分析

2.1.1 井筒尺寸及沖蝕限制流量

TPC曲線表示在不同井底壓力、井口壓力條件下的油管最大產能，菏澤儲氣庫采用7"直徑管柱作為注采氣管柱，需要計算出動態曲線TPC和沖蝕流量曲線來確定注采氣能力。

圖3 為采氣TCP 曲線，由圖3 可知，當井底壓力為25 MPa（運行壓力上限）時，受到沖蝕流量限制，最大單井流量限制在400×104m3/d。當井底壓力為10 MPa（運行壓力下限）時，單井沖蝕流量限制為229×104m3/d。可以看出沖蝕流量是限制管柱采氣能力最主要的因素，但7"注采氣管柱最小沖蝕采氣量也高達229×104m3/d，一般可以滿足采氣速度的需求。經過計算，沖蝕流量限制的單井采氣量平均值為314.5×104m3/d。山東菏澤儲氣庫一期工程20 口井，得到最小、平均、最大采氣流量分別為4 580×104m3/d、6 290×104m3/d、8 000×104m3/d。

圖4 為注氣TCP 曲線，由圖4 可知，隨著井口壓力降低，注氣量減少，井口壓力最低可比井底壓力小1 MPa。當井底壓力為10 MPa、井口壓力為24 MPa時，最大注氣流量為1 581×104m3/d，受到沖蝕流量限制，最大單井注氣流量402×104m3/d。當井口壓力為9 MPa，沖蝕流量最小為244×104m3/d，平均為323×104m3/d。據此得到山東菏澤儲氣庫最小、平均、最大注氣流量分別為4 880×104m3/d、6 460×104m3/d、8 040×104m3/d。

2.1.2 單日采氣壓降限制流量

根據金壇儲氣庫現場經驗，鹽腔體積為20×104m3、壓力為13.7 MPa 條件下單日壓降0.55 MPa，日采氣量約110×104m3。同樣條件下該軟件模擬結果約為115×104m3，相差5×104m3，相對誤差4.5%，表明該軟件計算精度較高，可用于采氣量計算。菏澤儲氣庫單腔有效體積為24×104m3，腔體形態如圖5 所示。運行壓力為10～25 MPa，單腔庫 容5 833×104m3，工作氣3 472×104m3。設計日采氣壓降為0.5 MPa/d（金壇儲氣庫最大單日壓降控制在0.5 MPa/d以內），計算得到采氣量范圍在94×104～120×104m3/d，對應井底壓力為25～10.5 MPa，平均為110×104m3/d（圖6）。假設菏澤儲氣庫一期工程平均單腔有效體積24×104m3，共20 口井，據此估算采氣規模最小、平均、最大值分別為1 880×104m3/d、2 200×104m3/d、2 400×104m3/d。

圖5 鹽腔形態數值模擬結果Fig.5 Numerical simulation results of salt cavity morphology

圖6 單腔0.5 MPa/d的壓降速度下采氣量Fig.6 Gas production volume under pressure drop rate of 0.5 MPa/d in single cavity

為了進一步分析采氣壓降對采氣量的影響，計算了24×104m3鹽腔0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1 MPa/d 單日壓降的采氣量，對應采氣流量分別為127×104m3/d、152×104m3/d、177×104m3/d、203×104m3/d、228×104m3/d、253×104m3/d。結果顯示每增加0.1 MPa/d 的壓降可增加約15%的采氣能力，當壓降速度由0.5 MPa/d 增加到1 MPa/d，日采氣能力翻了一倍，可以看出提高單日壓降是提高采氣速度的一種有效方法。

2.1.3 天然氣水合物生成限制流量

為了判斷是否有水合物生成，采用金壇A井進行腔體和井筒的溫度準確度驗證。A井基本信息為腔體體積19.8×104m3，運行壓力7～17 MPa，初始鹽腔溫度59 ℃，初始鹽腔壓力11.89 MPa（鹽腔中部壓力），連續采氣13天。采氣末期監測儀器顯示腔體中部溫度51.7 ℃，而模擬溫度51.1 ℃，相差0.6 ℃（圖7），證明計算結果比較準確。

圖7 金壇現場監測腔體溫度擬合曲線Fig.7 Fitting curve of cavity temperature for on-site monitoring in Jintan

菏澤儲氣庫設計鹽腔體積24×104m3，運行壓力10～25 MPa，腔頂埋深1 440 m，鹽腔初始溫度58 ℃，以0.5 MPa/d 壓降速度（采氣流量約110×104m3/d）可連續采氣30 天。此時，計算腔體溫度26 ℃，井口溫度16.5 ℃，井口壓力9 MPa。根據菏澤儲氣庫氣源組分得到的天然氣相對密度為0.588，利用圖版法（公式（16）～（18））得到天然氣水合物生成曲線（圖8）。可以看出16.5 ℃下水合物生成壓力10 MPa，井口狀態點落在水合物生成曲線右側，據此判斷井筒無水合物生成，但是比較接近水合物生成線。冬季菏澤地面溫度可低至-1 ℃，在地面采氣管線中可能會出現水合物，因此，建議采取地面管線隔熱措施或考慮井內加入乙二醇等水合物抑制劑的方式。

圖8 天然氣水合物生成壓力溫度曲線Fig.8 Pressure-temperature curve of natural gas hydrate formation

2.2 山東省天然氣市場調峰需求及注采氣規模確定

2.2.1 調峰需求

2020 年山東省天然氣消費量為213×108m3，較2019 年增長13%，預計到2030 年全省天然氣需求量達到560×108m3[15]。2020山東省天然氣供應不均衡情況如圖9所示，從10月至次年1月天然氣消費量高于平均值，12 月份不均勻系數最高達到1.48。2020 年山東省年天然氣消費量達到了213×108m3，月均消費量為17.75×108m3，據此得到12 月份調峰采氣需求為8.52×108m3，日調峰采氣需求為2 840×104m3/d。考慮到山東省現有LNG等其他儲氣調峰設施的儲氣調峰能力1.94×108m3[13]，日采氣能力為646×104m3，則山東省剩余日調峰需求約為2 200×104m3/d。

圖9 2020年山東省天然氣月消費不均勻系數Fig.9 Uneven coefficient of natural gas monthly consumption in Shandong Province in 2020

當不均勻系數均小于1 時，需要儲氣庫注氣。2 月份天然氣消費不均勻系數最小為0.72，則月注氣量為4.97×108m3，日注氣量為1 656×104m3/d?？紤]到現有LNG 儲配站儲氣能力1.94×108m3，日注氣能力為646×104m3，則山東省剩余日注氣需求約1 000×104m3/d。

2.2.2 注采氣規模

菏澤儲氣庫建設一期設計20 口井，單井有效體積24×104m3，運行壓力10～25 MPa，根據以上分析得到菏澤儲氣庫各影響因素限制下的注采氣規模（表4）?？梢钥闯鼍布皼_蝕流量不是限制單井注采氣能力的因素，而腔體體積、壓降和天然氣水合物則是限制注采氣能力的關鍵因素。在技術限制條件下單井平均注、采氣能力可達2 200×104m3/d，而山東省天然氣市場高月注采氣調峰需求分別為1 000×104m3/d、2 200×104m3/d，從技術限制條件來看，菏澤鹽穴儲氣庫可滿足山東省內目前的天然氣調峰需求。

表4 各限制因素下的注采氣能力Tab.4 Gas injection and production capacity under various limiting factors 104 m3/d

菏澤儲氣庫注采氣規模按照天然氣消費高月、高日進行應急供氣市場定位原則，則設計菏澤儲氣庫采氣規模2 200×104m3/d，注氣規模1 000×104m3/d。菏澤儲氣庫設計工作氣6.94×108m3，1個注采周期中采氣需要31 天，注氣70 天，共101天；2個注采周期則需要202天，3個注采周期需要303天。考慮到其他設備維護等時間，即一年最多進行3個注采周期，可有效保障地區天然氣供應。

3 結論

（1）山東菏澤儲氣庫腔體體積24×104m3，單日極限壓降速度0.5 MPa/d，受技術條件限制，菏澤儲氣庫最小、最大注采氣能力分別為1 880×104m3/d、2 400×104m3/d，平均注、采氣能力2 200×104m3/d。同時，數值模擬穩定性評價表明單日壓降速度可以適當提高至1.0 MPa，可以進一步增強鹽穴儲氣庫的注采氣能力。

（2）綜合考慮山東省天然氣市場供需形勢和技術條件限制，設計菏澤儲氣庫注采氣規模分別為1 000×104m3/d、2 200×104m3/d。