储气库注采分析优化设计软件GasPAD—Stor的研制

高照敏 宋文容 田军 陈涛 郝涛 宋健

摘要：储气库建设是天然气管道生产的重要调峰手段。为了更有效地设计和利用地下储气库，本文研究了储气库的建库机理、注采参数、运行控制。根据储气库管柱结构特点，建立了三维管柱受力模型，分析计算了管柱受力、冲蚀、携液、环空氮气柱压力等重要参数，研发了一套储气库注采分析优化设计软件GasPAD-Stor。该软件具备储气库库容设计、运行优化、调峰设计、注采能力分析、注采管柱设计、地面工艺设计、经济评价等功能。软件采用C/S架构，用户可以根据实际需要配置软件模块。该软件为开展储气库注采动态模拟、运行、调峰等提供了研究手段。

关键词：储气库；运行优化；管柱受力分析；调峰设计；冲蚀

中图分类号：TE972.2 文献标识码：A 文章编号：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

在天然氣供应与消费之间，一直存在着连续供气与消费需求量季节、昼夜不均衡性的矛盾，解决这一矛盾的主要措施是实行天然气储备。地下储气库利用封闭的较深地层构造储气，具有储气容量大、压力高、储气成本低的特点，现已成为当今世界上主要的天然气储存方式[1～2]。地下储气库是天然气管道用户的重要调峰手段，在解决用户季节用气不均衡问题上发挥着重要作用[3]。随着我国天然气生产增加和日常生活普遍性，建造地下储气库已成为发展天然气供应的紧迫课题，因此对地下储气库技术的研究具有非常重要的现实意义。

在大张坨地下储气库、板876地下储气库、金坛盐穴储气库等一系列的工程实践研究的基础上，北京雅丹石油技术开发有限公司与中国石油大学对天然气地下储气库的建库机理、运行控制、注采工艺参数分析优化、注采管柱受力分析等进行了大量的理论和技术研究，并编制了储气库注采分析优化设计软件GasPAD-Stor，为开展地下储气库注采动态模拟、调峰优化、安全运行等提供了科学决策手段。

2 储气库注采设计计算模型

2.1 库容计算模型

根据地下储气库的地质条件，可将地下储气库分为枯竭气藏型储气库、枯竭油藏型储气库、含水层型储气库、盐穴型储气库、废弃矿穴储气库。三种储气库的库容计算方法不同，软件中提供了三种储气库的库容计算[4]。

3.2 库容设计

该模块包括库容参数设计、单井采气能力计算和单井注气能力计算三个个子模块。软件中提供了枯竭油藏型储气库、含水层型储气库、盐穴型储气库三种储气库的库容计算；单井采气能力计算包括试井产能分析和气井产能分析，应用二项式、指数式或者根据单井投产初期静压、流压资料计算无阻流量。单井注气能力计算根据垂直管流规律，井筒注气量与气层吸气能力负相关，二者的交点就是注气、吸气平衡点，即为该井口压力下实际最大注气量[7]。

3.2 运行优化

包括储气库运行周期确定、储气库运行压力设计两个子模块。据供气地区供气量和用户用气不均匀系数，确定气藏储气库的运行周期，确定储气库运行的上限压力和下限压力，满足生产正常进行对储气库最大库容量、基础垫气量、附加垫气量、总垫气量、有效工作气量。选用定容气藏的物质平衡方程式进行该气库库容量的分析计算。

3.3 调峰设计

包括储气库正常调峰方案设计和应急供气方案设计。据调峰量分配主块运行能力，即要求主块满足调峰能力，再根据IPR—冲蚀流量，计算不同压力下的单井最大能力和需要的最少井数，通过不同气层压力下各井的极限产量来满足应急调峰能力。

3.4 注采分析

包括温度场压力场、注采井节点分析、临界携液流量、冲蚀流量计算、摩阻计算、极限注气速度确定以及油管尺寸选择七个子模块。软件对井口、井底、地层、气嘴和分离器等节点进行分析，计算协调产量；并对关键生产参数进行敏感性分析。从满足产能、冲蚀影响、临界携液、井筒条件综合考虑，选择储气库注采井油管内径。

3.7 管柱设计

该模块包括工艺管柱设计、管柱力学分析、管柱完整性分析、环空氮气柱压力计算和管柱防腐分析五个子模块。综合考虑各种井下因素、效应，计算不同工况下管柱轴向力、侧向力、管柱变形量、井口载荷、封隔器受力和环空氮气柱压力[8]。采用等安全系数设计和等应力范围两种设计原则，设计合理的油管组合[8]。然后校核油管安全强度，在校核时考虑了抗内压、抗外挤和拉应力等关键参数。

3.8 地面工艺设计

该模块包括管道设计、管线防腐计算和注气工艺参数设计三个子模块。注气井的注气管线与采气时共用一条管线，管径设计满足最大采气时对管径的要求，壁厚按注气压力设计。根据CO2腐蚀的判断标准，结合储气库天然气组成，计算集气上限CO2分压，确定腐蚀等级。对注气压缩机工艺参数、注气压缩机选型和压缩机台数、气量调节[9]。建立国内外主流压缩机数据库，根据设计的压缩机参数，推荐合适的压缩机。包括类型、生产厂家等。

4 软件优势

（1）全生命周期管理：涵盖了储气库全生命周期内的数据管理、储气库库容评价、产能评价、注采能力分析、注入和采出工况的受力分析、腐蚀计算、经济评价等等，形成了气井开采的“闭环” 优化系统；

（2）模型多样性：包含了Hagedorn-Brown、Beggs-Brill、Duns-Ros、Okiszewski、Mukherjee-Brill等多种多相流模型；

（3）功能全面：软件中包含了储气库从投产的库容计算，到最后的管柱腐蚀性计算，功能全面，满足储气库生产过程中的需求；

（4）各库相互协作：统一的数据库、模型库、方法库、知识库等标准，用户可以灵活调度多库协同；

（5）系统性和独立性：各子系统和模块使用统一的平台架构，即可以整体集成应用，也可以单独成软件使用；第三方模型接口灵活配置；

（6）个性化定制：对于特殊的储气库开采，可增加特定的个性化功能。

5 结论

综上所述，该软件功能包括：储气库库容设计、运行优化、调峰设计、注采能力分析、注采管柱设计、地面工艺设计、经济评价等；同时具有全生命周期管理、模型多样性、功能全面、各库相互协作、系统性和独立性、个性化定制的特点，为开展储气库注采动态模拟、运行、调峰等提供了研究手段。

参考文献：

[1] 陆争光. 皮礼仕；曹栋梁等.分阶段推进我国地下储气库发展的探讨[J] 天然气技术与经济，2017.

[2] 袁光杰；杨长来；王 斌等.国内地下储气库钻完井技术现状分析[J] 钻井工程，2013.2.

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[4] 谭羽非等.天然气地下储气库技术及数值模拟[M].石油工业出版社，2007.

[5] 蒋敏；檀朝东；李隽等. 储气库井油套环空注保护液和氮气柱对比[J]，石油学报，2017.10.

[6] 李子豐，马兴瑞，黄文虎. 钻柱力学基本方程及其应用[J].力学学报，1995，27（4）.

[7] 张琪.采油工程原理与设计[M].山东：石油大学出版社，2001年.

[8] 项勇；薛婷；隋蕾等.储气库气井管柱受力分析设计软件的研制和应用[J]，中国石油和化工，2011.11.

[9] 周磊；杨成；张晓花等.一种地下储气库注气压缩机高效选型新技术[J]， 现代化工，2015.10.