天然气地下储气库技术.ppt

2019/4/16,天然气地下储气库技术,专题讲座,2019/4/16,2,提纲,1 天然气地下储气库技术概述 2 天然气地下储气库的选型及库址的选择 3 地下储气库库容的确定 4 地下储气库注采动态数值模拟 5 地下储气库的优化设计 6 地下储气库地面工艺技术 7 地下储气库系统仿真及优化运行 8 相关建议,2019/4/16,天然气地下储气库技术,第一章 地下储气库技术概述,2019/4/16,4,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.1 天然气地下储气库技术研究的意义 在天然气工业体系中，天然气储运设施是联系天然气生产与使用的纽带，是将开采出来并经净化处理达标的合格天然气提交给用户的不可或缺的中间环节。 在天然气供应与消费之间，一直存在着可靠、安全、平稳、连续供气与消费需求量季节、昼夜、小时不均衡性的固有矛盾。解决这一矛盾的主要措施是实行天然气储备。,2019/4/16,5,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.1 天然气地下储气库技术研究的意义 地下储气库容量大，储气压力高，储气成本低，是当今世界天然气的主要储存方式。天然气地下储气库已经成为天然气输配系统的重要组成部分，是季节安全调峰，确保连续平稳供气的重要工程。 随着我国天然气产量的进一步增加以及其在工业和日常生活中的日趋普遍，完善天然气管网、建造地下储气库已经成为发展我国天然气工业的紧迫课题。对地下储气库技术进行研究正是基于此背景提出来的。,2019/4/16,6,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.1 天然气地下储气库技术研究的意义 我国上世纪90年代开始了大规模的天然气管网建设工程：陕京线的贯通、西气东输管道工程的实施，中原地区天然气管网以及陕京二线的规划建设将对我国天然气管网及消费布局产生重大影响。为了解决我国华东地区、中原地区以及北京市天然气供需之间的矛盾，这些管网工程都配套规划了天然气地下储气库工程。因此，对地下储气库技术进行研究具有非常重要的现实意义。,2019/4/16,7,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.2 天然气地下储气库的作用 调节供气不均匀性的最有效手段；show 提高供气的可靠性和连续性； 提高管线利用系数和输气效率，降低输气成本和输气系统的投资费用； 能为国家和石油公司提供原料和燃料的战略储备。 在新的石油和凝析油开采区，能保存暂时不可利用的石油气；对老采油区，有助于提高原油采收率。,2019/4/16,8,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.3 天然气地下储气库的类型 储气库主要有以下几类： 枯竭油气藏型（Depleted Reservoirs） 地下含水层型（Aquifers） 盐穴型（Salt Caverns） 煤矿矿井型（Mines） 溶洞型（Hard-Rock Caverns）,2019/4/16,9,第一章 天然气地下储气库技术概述,Figure 3 Types of Underground Storage,2019/4/16,10,第一章 天然气地下储气库技术概述,Figure 4 Development of a Salt Cavern for Natural Gas Storage,2019/4/16,11,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.4 天然气地下储气库建设现状 自1915年加拿大利用枯竭气藏建成世界上第一个地下储气库以来，地下储气库已经经历了近90年的发展历程。目前全世界地下储气库的总容量已经超过5.01011m3。美国、欧洲及前苏联等国家建设了大量的地下储气库。单美国从上世纪90年代到现在就新建了近50坐地下储气库，使得其储气库库容总量达到了2.51011m3的规模。地下储气库储存的天然气满足了美国全年天然气总需求量的1/3。,2019/4/16,12,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.4 天然气地下储气库建设现状 我国地下储气库的建设远远落后于世界水平，目前建成的只有两座：大庆喇嘛甸油田地下储气库和大张坨地下储气库。大庆喇嘛甸油田地下储气库的主要作用是平衡大庆油田内部用气的季节不均衡性，天津大张坨地下储气库与陕京输气管道相连，以平衡北京市季节性用气不均衡性和保障安全平稳供气为主要目的。 我国目前正在规划的储气库包括西气东输配套工程金坛盐穴储气库、中石化中原地区天然气地下储气库、大张坨三期工程。,2019/4/16,13,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.5 天然气地下储气库技术研究现状 一个工程的好坏关键在于设计。对地下储气库一类的大型工程，优化的思想必须贯穿于项目实施的整个过程。采用优化设计的方法不仅可以使地下储气库更好的满足建设要求，而且也可以有效降低工程投资及运行管理费用。 地下储气库技术涉及地质、气藏工程、采气、天然气集输与净化、天然气管道输送和城市配气方面的相关理论知识，而地下储气库优化设计及模拟技术是地下储气库技术的核心。在国外，优化及数值模拟技术已经成为地下储气库建设必不可少的手段。,2019/4/16,14,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.5 天然气地下储气库技术研究现状 20世纪70年代，国外开始应用数值模拟来研究地下储气库从建造到注采动态运行的整个过程，美国、德国、丹麦、意大利等国家根据不同类型储气库和不同流动过程、地质地层以及气体种类的差异性，提出了相应的数学模型，为储气库的实际运行提供了理论依据，以达到经济高效地控制地下储气库的目的。,2019/4/16,15,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.5 天然气地下储气库技术研究现状 储气库模拟基本数学模型 三维气流模型 定容无水驱封闭型枯竭气藏。 三维气水置换模型 带水驱的枯竭气藏储气库、地下含水层储气库。 三维气体混合模型 考虑了气体的渗流、注入气与垫底气之间的混合、对流和扩散等问题。 二维气油混合模型 枯竭油藏型，考虑气油两相流动和相互传质问题,2019/4/16,16,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.5 天然气地下储气库技术研究现状 国外目前数值模拟已经成为指导各种类型储气库运行的重要手段，而且正逐步与经济分析模型和地质力学模型相结合，通过数值模拟，可以达到在不增加储气费用的情况下，提高储气库的储存能力及注采应变能力，建立储气库优化运行模型，从而带来较大的经济效益。,2019/4/16,17,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.5 天然气地下储气库技术研究现状 大庆喇嘛甸油田地下储气库从1975投产到90年只采不注，因此没有进行优化及数值模拟方面的研究。 “八五”期间，华北油田对北京地区建设天然气地下储气库的可行性进行了研究，“九五”期间又承担了总公司重点科技工程项目“天然气地下储气库注采技术研究”。研究成果对储气库工程的建设具有一定的指导意义。大张坨地下储气库为了保证凝析液的采收率、估计油环和边水以及凝析液对储气库的影响，采用了凝析气藏数值模拟模型进行了模拟。,2019/4/16,18,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.6 存在的问题 未形成完整的理论方法体系，没有制定相关的国家和行业标准 我国科技人员对储气库技术的研究目前还处在对国外资料的消化吸收的层面。在储气库数值模拟及管网仿真方面做了一些研究，对根据下游用户工况来确定储气库库容特别是对多个城市和大区域供气系统调峰储气量如何计算没有具体的方法可循，优化运行方面有一些研究但没有得到具体的论证。没有一本完整介绍地下储气库综合技术的资料，没有形成完整的理论方法体系，没有制定相关标准，设计显得比较无序。,2019/4/16,19,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.6 存在的问题 经济及综合分析问题 我国地下储气库的论证主要还是在技术上可行的层面上，提出几种方案中部分方案由于在技术上不可行就否定掉了。剩下的方案经过简单的经济论证就确定了最后的方案。这种做法有可能会遗漏最优的方案。另外，地下储气库的影响因素很多，应该权衡各方面的因素进行综合评价。,2019/4/16,20,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.6 存在的问题 地面工程对储气库建设的影响问题 一般气田的开发中，输气系统的建设服从于气田开发方案的要求和限制，而地下储气库系统作为天然气输配系统的一个子系统，其建设应服从于输配系统建设的要求，其工作特性受到输配系统工况的影响，其也反过来影响输配系统的工况。储气库的模拟和优化应该充分考虑这种影响。因此，应当将储气库系统和输气干线系统看成一个整体加以分析。,2019/4/16,21,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.7 发展趋势 1）用惰性气体代替天然气作储气库的垫层气 地下储气库总容量中包括工作气（活动气）和垫层气（残余气）两部分。垫层气的主要作用是使储气库在一次抽气末期保持一定的压力、提高气井产量、抑制地层水流动等。垫层气在储气库中是不能抽出的气体。迄今为止在建库时都采用注入天然气作垫层气，这不仅大大增加了地下储气库的初期投资，还沉积了大量的“死资金”。以美国为例，1987年美国地下储气库中总垫层气量达1080亿m3。按天然气矿场平均每$60/1000m3，当年垫层气长期沉积的资金达64亿美元。,2019/4/16,22,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.7 发展趋势 1）用惰性气体代替天然气作储气库的垫层气 因此，美国、前苏联等一些地下储气库比较发达的国家，从上世纪70年代开始，就如何减少储气库中的垫层气量、采用惰性气体、氮气、二氧化碳或压气机组废气等代替天然气作储气库垫层气，开展了广泛而大量的研究工作，并取得了可喜的成绩。 减少地下储气库中垫层气量，增大工作气量，用惰性气体作垫层气，已成为降低地下储气库投资和运行费用的最主要的发展方向。,2019/4/16,23,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.7 发展趋势 2）实现地下储气库工艺设计统一化和标准化 仅管地下储气库按地质对象分为衰竭油气藏型、含水层型和盐穴型几种类型，且它们的地质物理参数各不相同，但在储气库建设方面它们仍具有一些共同的特性。如为了制订建库方案，都必须掌握如下一些原始资料：储气库的矿藏类型，生产井和注气井的数量和产量、昼夜抽气量和注气量、抽出气体温度和压力、注气压力、储气库地质层（储层）数、采出气休组分（凝析液和水分含量）等。它们都以某种方式影响技术方案的确定。对各种地下储气库而言，天然气采集、分配和处理工艺设计上的区别并不在原理上，而在具体构成和设备上。这就为地下储气库的建设从工艺流程设计到设备选择实现技术方案的统一化、标准化提供了可能性。,2019/4/16,24,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.7 发展趋势 2）实现地下储气库工艺设计统一化和标准化 前苏联在这方面得了大量的研究成果，先后为地下储气库地面站的配气、气体收集与处理、气井产品计量、气体干燥、低温分离等开发出了标准化的工艺流程，并各自组成一个独立的模块，从而使储气库的建设从个别设计转到标准化设计上来，使设备由单个制造转为成批生产，最大限度地采用早先为气田建设新开发的标准技术方寨和工厂整体组装式设备。实现地下储气库工艺设计的统一化和标准化，可最大限度地减少设计部门之间的协调工作，简化一系列的工艺计算。这是加快建库速度，缩短建库周朔，提高建库质量的重要措施之一。,2019/4/16,25,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.7 发展趋势 3）建设生产效率高、可靠性好的气井 建设高气密性气井的施工工艺是提高地下储气库生产能力的重要条件。目前围绕这一间题的研究课题有：采用由膨胀水泥制作的不缩水套管柱和生产套管；采用气密性好的管予和合理的气井结构；研究既能钻开储层又能避免井底地带泥浆污染的新的钻井工艺；改进井底施工工艺，采用不含粘土溶液扩大井底附近地带；研究向储气库下部地层夹层注气的技术工艺，防止气体渗漏到圈闭层外，增大工作气体积等。,2019/4/16,26,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.7 发展趋势 4）研制开发新的工艺和设备 长期以来，地下储气库地面气体处理方法与气田气体处理方法没有什么区别。可是地下储气库的采气制度是不固定的，其工艺指标昼夜间会发生很大变化，由人工进行调整使其优化是不可能的。为了降低劳动强度，防止在内部和外部指标发生变化时气体采集和处理系统出现临界操作条件，需研究开发工艺过程的自动控制系统。如：研制出口压力波动范围大的新式压缩机组；气并成组连接情况下的输入管带模块；气流方向调节模块；压力和处理量波动范围较大的初级分离装置；在小流量条件下的再生装置等。,2019/4/16,27,第一章 天然气地下储气库技术概述,1.7 发展趋势 国外地下储气库建设方面的科技进步还有：采用模块化施工技术，加快施工进度，降低劳动强度。在气田建设时研制成功的大量施工模块，其中一部分无需进行大的修改，就可用于地下储气库的建设。研究各种地下储气库生产过程集约化的理论基础，通过技技术装置改造，实现生产过程集约化，改善技术经济指标。 我国地下储气库技术的发展主要是在消化吸收国外先进资料的同时，总结我国地下储气库建设的经验，尽快制定我国的储气库建设相关标准。,2019/4/16,天然气地下储气库技术,第二章 地下储气库选型及库址的选择,2019/4/16,29,第二章 地下储气库选型及库址的选择,2.1 地下储气库的选型 2.1.1枯竭气藏型 将枯竭废弃的气藏转为夏注冬采的地下储气库，这是在各种地下岩层类型中建造地下储气库的最好选择，其主要优点如下： 1）有盖层、底层、无水驱或弱水驱，具备良好的封闭条件，密闭性好，储气不易散溢漏失，安全可靠性高。 2）有较多现成采气井可供选择利用。作为注采气井，有完整配套的天然气地面集输、水、电、矿建等系统工程设施可供选择，建库周期短，试注、试采运行把握性大，工程风险小，有完整成套的成熟采气工艺技术。 3）不需或仅需少量的垫底气，一般调峰工作气量为注气量的7090，注入气利用率高。,2019/4/16,30,第二章 地下储气库选型及库址的选择,2.1.2枯竭油藏型 利用枯竭油藏或油藏气顶建造储气库，虽具备了枯竭气藏型的部分优点，但缺点也较为突出，首先需把部分油井改造成天然气注采井，原油集输系统也要改为天然气集输系统；其次随同采气必然会携带出部分轻质油，因此需新建配套轻质油脱除及回收系统，而且建造周期长，需试注、试采运行，检验、考核费用较高。 尽管存在上述缺点，在无枯竭气田的情况下，枯竭油藏仍不失为建造地下储气库的良好选择。,2019/4/16,31,第二章 地下储气库选型及库址的选择,2.1.3地下含水层型 在大型工业中心和大城市附近，并非都有适于建设地下储气库的枯竭油气田。在这种情况下，最有利的建库条件便首推在含水层中建设地下储气库。在含水层中建库的方法是，将岩层孔隙中的水排走，并在非渗透性的含水层盖层下直接形成储气场所。在水层边部利用老井，或新打若干口监测井定期测井、探测气水界面的变化，分析天然气驱水移动状况，以便确定含水层气库边界范围及天然气在水层漏失量、气库运行参数和运行状况。,2019/4/16,32,第二章 地下储气库选型及库址的选择,2.1.3地下含水层型 适合做储气库的地下含水层应具备以下条件： 1）地质构造是穹隆型隆起或背斜构造，有完整封闭的地下含水层构造，无断层。含水岩层有一定孔隙度、渗透率，可作为储气的容积空间，越大越好。 2）含水岩层上下有良好的盖层及底层，密封性好，注气后不会发生漏失、散溢。通常气库的漏失率要控制在3%以内。 3）含水岩层埋藏有一定深度，能承受一定的注气能力，与城市生活用水等水源不相互连通。,2019/4/16,33,第二章 地下储气库选型及库址的选择,2.1.3地下含水层型 利用含水层建造储气库存在的不利因素是，勘察、研究选库工作难度大，工作量大，时间长，需钻一定数量的注采井、观察井；需建设完整的配套工程，投资运行费用高；气库需要一定的垫底气，垫底气量一般是气库储气量的3565（一般取50%）；储气量、调峰能力较枯竭油气藏小。,2019/4/16,34,第二章 地下储气库选型及库址的选择,2.1.4盐穴型 对于周围缺乏多孔结构地下构造层的城市，特别是在具有巨大的岩盐矿床地质构造的地区，将天然气储存在地下含盐岩层内，在短期内实现提供高容量的储备，也是目前各国普遍采用的方法。盐穴天然气储气库的建造分为两种，一是将废弃的采盐盐穴改建为天然气地下储气库；二是新建盐穴储库。,2019/4/16,35,第二章 地下储气库选型及库址的选择,2.1.4盐穴型 盐穴储库的特点是，单个岩盐空间容积大，最大可达500104m3以上，储气量可达1108m3，开井采气量大，调速快，调峰能力强，储气无泄漏。与其它地下储存方式相比，虽然建库的投资成本较高，天然气有效容积相对较小，但产气能力相对较高，注气时间短，垫层气用量少。我国为解决长江三角洲和上海城市用气较为集中的问题，作为西气东输管道季节性调峰的大型地下储气库拟建在金坛市。届时，金坛盐矿将成为我国第一个利用盐矿建立的盐穴地下储气库。,2019/4/16,36,第二章 地下储气库选型及库址的选择,2.1.4煤矿矿井型 利用采过煤的废弃地下矿井及巷道容积，经过改造修复后作为地下储气库。优点是废物利用，建库费用小；缺点是通常矿井有裂缝发育，密封性差，高压注入天然气易漏失，易导致灾害发生，安全性差。因此需做较长时间的试注、观察和监测，建库周期长，经营运行成本高。,2019/4/16,37,第二章 地下储气库选型及库址的选择,2.2 地下储气库库址的选择 地下储气库是最为理想的季节调峰储气设施。建造地下储气库的基本条件是：地下有合适的储气岩层，该岩层具有足够的孔隙度（15%）和渗透率（50毫达西），天然气能够按设计的速度、压力进入岩层和从岩层中采出，且能够容纳设计要求的储气量；在储气库的上部应有不渗漏的盖层，盖层与储气层之间形成完整的构造，以防止储存的天然气向上部运移、渗漏，造成储气损失；储气层应是垂直倾斜的或向上隆起形成背斜构造，以防止气体的水平运移造成储气损失；储气层底部应没有水或易于按制的水，以防止水将被储存的天然气融离（即被淹没）而无法采出；储气层应有一定的埋深，太浅无法承受压力，太深则储气压力过高不经济。,2019/4/16,38,第二章 地下储气库选型及库址的选择,2.2 地下储气库库址的选择 在相同的地质构造条件下选择库址，应进行全面技术经济分析和各种方案比较。从经济上考虑，气库与气源和城市用户距离越近越好。但地下储气库不管是建在含水层还是利用枯竭油气田，常常会在一定范围内影响到深含水层，造成大量水位移，使压力出现紊乱。储层渗透率越大，压力波及范围越大，因此从安全角度考虑，储库的选址应避开人口稠密、工业发达的地区，同时应尽量建在用户区主风向的下游。若采用情性气体作垫层气，还要考虑惰性气体的气源问题。此外，钻井、地面设施与输配系统的连接等所需的投资规模也应考虑。前苏联学者认为，距离城市用户超过200km是不适宜建造储气库的，罗马尼亚学者认为50km为宜。 根据国外从储备能力和经济效益考虑的建库经验，枯竭油气田储气库适宜深度为1500m左右，含水层储库深度不应超过1000m。,2019/4/16,天然气地下储气库技术,第三章 地下储气库库容量的确定,2019/4/16,40,第三章 地下储气库库容量的确定,3.1 地下储气库有效库容的组成 所谓储气库有效库容量就是根据用户需用工况以及气源和上游输气干线系统来气工况确定满足储气库预定功能所需要的储气容积。因此，确定储气库的库容量是规划设计以及优化运行储气库的基础和前提。 确定储气库的有效库容量首先要知道储气库必须满足的功能要求，即：设计一个储气库的目的是什么？其所要完成的任务是哪些？,2019/4/16,41,第三章 地下储气库库容量的确定,一般而言，地下储气库所要求的有效储气量应由下列因素确定： （1）在一个供气区域内，在正常气候条件下，因季节需求不平衡靠输气系统又不能确保提供的储气量V0。 （2）在供气区域内，遇到严寒气候时，为确保季节性不平衡所需要的天然气量V1。 （3）在用户区内，考虑到季节变化的模拟误差而需要的储备气量V2。 （4）在供气区内，当天然气管道系统发生事故而造成供气不足时所需要的应急储气量V3。 在设计储气库库容时一般只考虑V0和V3。,2019/4/16,42,第三章 地下储气库库容量的确定,3.2 季节性调峰储气量 调节燃气季节供需不平衡，保证供气高峰用户的需要，是建立地下储气库的主要目的。调峰储气量由两方面的条件来确定，一是气源或上游输气系统的生产工况，二是下游用户的用气工况。对于前者，由于建立地下储气库的目的之一就是使长距离输气干线和设备均衡运行，以提高管线和设备的利用率，故对于建设有地下储气库系统的天然气生产系统，气源和输气干线系统的工况变化不大，一般在确定储气库库容时可以按照稳定生产和供气考虑。因此，确定季节性调峰储气量时主要考虑下游用户的用气工况。不同类型的用户其用气有不同的特点，在天然气供应消费系统中所起的作用也不尽相同。在确定储气库的调峰储气量时必须分别讨论各类用户的用气工况，各类用户用气工况的总和即是整个下游用户总的用气工况。,2019/4/16,43,第三章 地下储气库库容量的确定,3.2.1 城市燃气用户 （1）特点：用气不连续、用气时间相对短而集中、用气量随季节变化大，用气极不均匀。主要受气温的影响。 （2）不均匀系数的确定：用气的波动情况用用气不均匀系数来衡量。其确定步骤如下 1）确定各个城市每月的用气量； 2）根据城市总用气量确定该城市各月的不均匀系数； 3）根据各城市的在总用气中的比例确定总的不均匀系数。,2019/4/16,44,第三章 地下储气库库容量的确定,3.2.2 天然气发电用户 天然气发电用户的用气工况除了受气温因素影响外，其主要受天然气电站的用途的影响。一般来说，发展一定的天然气发电用户主要是为了城市电网的调峰所用。城市用电也具有相当大的不均匀性，具有冬季和夏季两个高峰。天然气电站的发电工况与其所调峰的电网主力发电性质有关。以水力发电为主的电网，对于夏季用电高峰，由于此时处于丰水期，发电量充沛，需要的调峰量相对较小，天然气发电站的天然气负荷也相对较小，因此对于以水力发电的电网，天然气电站主要用作冬季用电高峰的调峰，很显然，由于电网的调峰加剧了天然气用气工况的不均匀性。对于以火力发电的电网，电网发电量相对比较均匀，此时天然气调峰电站在冬季和夏季用电高峰均需发挥调峰作用，对于夏季，天然气调峰电站有利于降低天然气用气工况的不均匀性，而对于冬季，天然气调峰电站加剧了天然气用气工况的不均匀性。,2019/4/16,45,第三章 地下储气库库容量的确定,西气东输储气库天然气发电用户不均匀系数 中原地区地下储气库天然气发电用户不均匀系数 对比二表可以看出，西气东输天然气调峰电站不均匀系数只具有一个峰值（冬季），而中原地区天然气调峰电站不均匀系数具有两个峰值（冬季和夏季）。,2019/4/16,46,第三章 地下储气库库容量的确定,3.2.3 化工及工业燃料用户 化工和工业燃料是较稳定的用气大户，其用气不均匀系数变化较小。因此，发展一定数量的工业用户对天然气系统的调峰和平衡用气工况十分有利。化工及工业燃料用户的不均匀系数因根据天然气系统中各工业用户的实际用气情况和规划情况进行统计分析得到。 3.2.4 总用气不均匀系数 天然气供应系统用气总不均匀系数应根据各类用户的用气不均匀系数以及各类用户在总系统中的比例进行计算。,2019/4/16,47,第三章 地下储气库库容量的确定,3.2.5 调峰储气量 根据用气量、用气不均匀系数以及气源供气情况可以求得天然气系统季节性调峰储气量。设气源供气量为100，按均匀供气则月供气量为100/12=8.33，即月供气量为年供气量的8.33%。而用气不均匀系数反映了用气偏离平稳供气的程度。我们可以把用气月不均匀系数换算成月用气百分比。 用气百分比和供气百分比之间的差值即为该月所需要的调峰储气量百分比。各月调峰储气量之和即为储气库的调峰储气量。,2019/4/16,48,第三章 地下储气库库容量的确定,3.3 系统事故应急气量 输气系统事故应急气量是指当气源或管道发生事故时，利用天然气供应系统的能力最大限度地满足下游用户安全用气的量，也称为保安气量。不同性质的用户其事故应急气量的要求不同，因此需要分别加以计算。 天然气发电的事故应急气量与电网供电系统的负荷备用率、事故热备用率、事故冷备用率以及天然气发电装机容量占电网总装机容量的百分比有关，另外在发生事故时，供电系统的负荷备用和系统的事故热备用可以承担部分的安全供电量，据此可以求出不可中断的天然气发电机组占系统最大发电负荷的百分比。从而求出天然气发电用户的事故应急气量。,2019/4/16,49,第三章 地下储气库库容量的确定,在管道事故工况下，化工用户的事故应急气量与化工设备的最小安全负荷有关，需要根据用户的实际情况加以统计分析。在没有详细统计资料的情况下，化工设备的最小安全负荷可以按照设备额定负荷的30%40%考虑，据此可以求出化工用户的事故应急气量。 对于天然气工业燃料用户，在事故工况下某些用户如：炼钢、陶瓷、玻璃行业等，若中断供气后会给设备造成不可估量的损失，这些企业用户为不可中断的工业燃料用户。在确定工业燃料事故应急气量时要对这部分用户的用气量进行统计，从而确定整个工业燃料用户的事故应急气量。一般说来，不可中断的工业燃料用户占整个天然气工业燃料用户的40%左右。,2019/4/16,50,第三章 地下储气库库容量的确定,城市居民和商业用气为城市燃气的重要组成部分，如果对其中断供气，势必会造成十分恶劣的影响。城市居民和商业用气占整个城市燃气用户的60%左右。据此可以求出城市燃气的事故应急气量。 各类用户的保安气量之和即为整个供气系统在一次事故情况下所需要的应急气量。,2019/4/16,51,第三章 地下储气库库容量的确定,3.4 管道事故工况分析 干线输气管道系统输气中断主要是线路故障引起的。管道事故量与管道本身的可靠度、事故率、事故平均维修时间有关。 3.4.1管道事故率 管道事故是指造成输气介质从管道中泄漏的任何事件，主要是管道区段的事故。根据管道事故的严重程度可将其分为泄漏、穿孔和破裂。管道事故率是指管道线路部分的可靠性指标，它并非专门指线路的管子或其它组成单元，而是对整个管道线路系统而言的。通常干线管道事故率定义为每年每千公里管线上发生事故的平均次数。,2019/4/16,52,第三章 地下储气库库容量的确定,3.4.2 管道事故持续时间 管道事故持续时间也就是管道停输时间，是指管道发生事故导致输气干线管道被迫截断抢修的持续停输时间。它与事故维修水平有直接关系，在数值上等于平均事故维修时间。很显然，管道事故持续时间直接影响储气库应对管道事故所需的储气容积。,图3-1 管道事故维修时间与管经关系曲线,2019/4/16,53,第三章 地下储气库库容量的确定,3.4.2 管道事故持续时间 我国新建的几条主要输气干线中，陕京线1998年因山洪爆发造成的管道破裂事故持续时间为66小时；靖西线1999年也是山洪爆发造成一次管道破裂事故，持续时间为72小时，两条管线的平均事故持续时间为69小时。 世界主要天然气生产和利用大国的实践经验表明，管道事故持续时间通常为三天。通过综合分析，结合我国管道事故维修的水平，目前我国管道事故维修时间取为70小时。,2019/4/16,54,第三章 地下储气库库容量的确定,3.4.3 管道事故延滞气量 当管道发生破裂泄漏时，为了便于维修，必然关闭事故管段两端的阀门，管道停输，输气延滞。由下式可以估算出输气干线管道一次事故的延滞气量。 3.4.4管道事故应急气量分析 事故应急气量的确定是输气管道配套地下储气库研究的重要组成部分，决定着地下储气库的建设规模、生产能力和地面相关工艺设计方案，直接影响输气系统的供气质量。 根据输气管道的的长度、事故概率和计算时间可以求出输气干线管道计算时间内可能发生的事故次数。再根据保安气量的要求计算为应对事故时储气库的应急储气容积。,2019/4/16,55,第三章 地下储气库库容量的确定,3.5 储气库库容的确定 前面讨论了地下储气库的调峰储气容积（V0）和应对管道事故所需的应急气量容积（V3）的确定方法，前面提到库容还包括遇到严寒冬季时为确保季节性不平衡所需要的天然气气量（V1）以及考虑到季节变化的模拟误差而需要的储备气量（V2）。这两部分储气库容积和储气库垫底容积以及其它无法界定的容积可称为地下储气库的“灰容积”，灰容积的确定过程称为灰容积的“白化”。很显然，灰容积的白化将有助于对地下储气库容积的准确掌握，而确定灰容积是一个比较困难的问题。国外已经运行的地下储气库的资料表明，灰容积占整个地下储气库设计容积的15%85%不等，这个范围很大，在实际分析中几乎没有多大的意义，可见合理选择设计库容仍然需要进行深入的研究。,2019/4/16,56,第三章 地下储气库库容量的确定,3.5 储气库库容的确定 垫底容积是指为了维持储气库的正常生产所需垫层气的容积。垫层气系指采气结束后，为维持一定的地层压力而留在储气层中的那部分气，此压力应满足最低采气压力的要求，还能控制地层中底水上升。垫层气量越大，所维持的地层压力越高，就能减少采气井井数，并为采出气提供较高的压力。但随着垫层气量的增加，储气库的有效气量相应减少。即储气层工作的有效容积比例相应减少，而且用于垫层气的费用（含垫层气本身的成本费和注入地层的费用）也会增加根据国外统计资料，垫层气量和有效气量的比值为60%140%。,2019/4/16,57,第三章 地下储气库库容量的确定,3.5 储气库库容的确定 在确定了储气库的设计库容后，需要根据储气库以及输气干线系统的运行参数对整个输气系统的运行工况进行模拟仿真，看其是否满足工艺要求。,图3-2 设计库容工作程序,2019/4/16,天然气地下储气库技术,第四章 地下储气库注采动态数值模拟,2019/4/16,59,第四章 地下储气库注采动态数值模拟,4.1 储气库注采动态数值模拟的目的 天然气地下储气库注采动态数值模拟是通过建立描述储气库气藏中流体渗流过程的数学模型，利用计算机进行数值求解，从而展现储气库气藏流体渗流过程，以研究其变化规律的方法。储气库数值模拟是储气库系统设计和方案优化的重要前提和内容，通过储气库气藏数值模拟可以分析气库储气的历史过程，预测储气库的储存容量，研究储气库注采的动态特性。 以枯竭气藏型地下储气库为对象介绍数模的方法和步骤。,2019/4/16,60,第四章 地下储气库注采动态数值模拟,4.2 数学模型的建立 4.2.1 假设条件 为了建立既适合于枯竭气藏型储气库的实际流动情况，又能方便求解的数学模型，我们做如下假设： （1）地下储气库气藏内只存在单相气体渗流。 （2）气藏内渗流过程为等温过程。 （3）由于地下储气库强注强采的特点，气体流动的速度非常高，特别是压力梯度最高的井筒附近，气体流动不再符合达西定律，认为此时流动符合修正的达西定律，即Forcheimer关系式。 （4）考虑岩石各向异性和非均质性。,2019/4/16,61,第四章 地下储气库注采动态数值模拟,4.3.2 约束条件 在天然气的注采过程中，储气库的压力是在不断变化的。在向地下储气库注入天然气时，气藏压力不断提高直到达到气藏的最大允许压力。天然气地下储气库的最大允许压力一般控制为气田未开采时的静态压力，即原始地层压力，称为PAMP，超过此压力，天然气就可能会溢失甚至发生危险。在采出天然气时，同样受到最小压力的限制，对于纯气驱枯竭气藏，这一最小压力是指满足储气库地面集输系统最小集输压力要求的最小井口压力，称为Pmin井口，低于这一最小压力，注采井所采天然气是无法进入集输系统的。在进行数值模拟时，根据井筒井口压力与井底压力的换算关系，可将井口压力换算成井底压力Pmin井底。如果储气库在建造时，其原始枯竭压力DGJ低于这一最小压力即DGJPmin井底，那么就需要注入一定量的垫底气，以维持储气库的体积和压力。对于定容纯气藏型天然气地下储气库的数值模拟研究，其主要约束条件是受储气库内平均压力的控制：,2019/4/16,62,第四章 地下储气库注采动态数值模拟,4.3.3 数学模型 根据假设条件和渗流力学理论得到储气库流体质量守衡方程： 将Forcheimer关系式 代入方程得到模拟的微分模型 上式是二阶非线性偏微分方程。,2019/4/16,63,第四章 地下储气库注采动态数值模拟,4.3.4 定解条件 数学模型的求解有赖于定解条件，定解条件包括初始条件和边界条件 （1）初始条件：由于流动过程为单相气体近似等温流动，初始条件即为初始压力分布。对于储气库储气过程，原枯竭气田采气终止时的压力即为初始压力。对于储气库注采气的动态运行过程，储气库注采气开始时的压力压力即为初压。 （2）边界条件：取储气库为封闭边界气藏，即 ：,2019/4/16,64,第四章 地下储气库注采动态数值模拟,4.4 模型的求解 4.4.1 计算方法和步骤 模型方程为二阶非线性方程，采用数值方法求解。模型求解的步骤如下： （1）设达西系数=1，此时模型方程为二阶线性方程，求解得到流场内压力分布； （2）根据计算出的压力分布，计算速度分布，进而计算新的值； （3）应用新的值解模型方程得到流场内新的压力分布值； （4）将两次迭代的进行比较，如二者的差值大于规定的误差范围，则返回第二步，重新计算。 （5）重复以上步骤，直到压力分布误差小于规定的误差范围为止。,2019/4/16,65,第四章 地下储气库注采动态数值模拟,4.4 模型的求解 4.4.1 差分数值模型 采用中心差分网格离散储气库气藏空间，得到数值求解的差分模型。 对于储气库气藏边界处采用以下处理方法：在边界处将网格向外扩出一个网格作为虚拟点，认为在这些点K=0， 。 储气库数值差分模拟模型方程系数为为七对角带状矩阵，可以采用高斯消元法直接求解。,2019/4/16,66,第四章 地下储气库注采动态数值模拟,4.5 储气库影响因素分析 通过以上分析可以看出，为提高储气库储气性能，在储气库建造形成时，应周期性注气，避免长期连续不断的注气。每一周期应关井一段时间，使储气库气藏内压力分布趋于均匀，以增大储气库储气容积。 储气库生产运行时，在采气周期，压力降低较快后趋平稳，因此应延长注采气周期，短期内的注气和采气必然产生较大的压降漏斗。另外，单井产量越大，压力漏斗波及范围也越大，因此应尽量使储气库内各井流量相近。,2019/4/16,67,第四章 地下储气库注采动态数值模拟,4.5 储气库影响因素分析 （1）平均地层压力随时间变化趋势 （2）井口压力变化趋势,图4-1 平均地层压力随时间变化曲线,图4-2 井口压力变化趋势图,2019/4/16,68,第四章 地下储气库注采动态数值模拟,4.5 储气库影响因素分析 （3）产量影响分析 （4）注采速度对储气库库容的影响 周期性注气，可适当增加库容。,图4-4 不同配产井口压力变化曲线,（5）井间分布影响 增大井间距离，地层平均压力相应有所降低。,2019/4/16,69,第四章 地下储气库注采动态数值模拟,4.5 储气库影响因素分析 通过以上分析可以看出，为提高储气库储气性能，在储气库建造形成时，应周期性注气，避免长期连续不断的注气。每一周期应关井一段时间，使储气库气藏内压力分布趋于均匀，以增大储气库储气容积。 储气库生产运行时，在采气周期，压力降低较快后趋平稳，因此应延长注采气周期，短期内的注气和采气必然产生较大的压降漏斗。另外，单井产量越大，压力漏斗波及范围也越大，因此应尽量使储气库内各井流量相近。,2019/4/16,天然气地下储气库技术,第五章 地下储气库系统优化设计,2019/4/16,71,第五章 地下储气库系统优化设计,5.1 储气库系统优化设计的目的和方法 采用优化的方法对储气库系统进行设计，可以有效的降低工程投资，增加工程的可靠性。由于天然气地下储气库的建设是一项大型、复杂、具有多目标性的工程项目，其优化设计也是一项纷繁困难的系统工程。一般来说，满足技术要求的设计方案有多个，如何从多个方案中找到最优的方案，必须在建设前期对各种设计方案进行充分的技术和工程论证。在满足工艺需要的前提下，储气库系统不仅要满足经济上的要求，也必须要满足其它一些指标的要求，因此，储气库系统的优化设计实际是一个多目标优化问题。其方法为首先建立储气库系统设计的模型，通过计算找到满足工程设计技术要求的方案，然后采用多目标多因素的灰色物元分析法从各种设计方案中寻找最优的方案。,2019/4/16,72,第五章 地下储气库系统优化设计,5.2 储气库系统优化设计模型 对一个大型工程项目来说，在满足工艺要求的前提下，经济上最省仍然是其设计的第一原则。储气库系统建设工程常常是国家或地方的重点建设工程项目，其设计经济上的好坏不仅仅是一个经济问题，而且由于直接关系到下游用户使用天然气的价格，因此也是一个社会问题，关系到国家天然气事业能否顺利推广以及社会大局的稳定。,2019/4/16,73,第五章 地下储气库系统优化设计,5.2 储气库系统优化设计模型 一个地下储气库系统包括储存气藏、注采井、集输、净化以及压缩机及其辅助系统等子系统，最优化设计也就是这些子系统的最优组合。在选择储气库地点并确定储气库要求之后，接下来就是储气库的设计问题。设计一座地下储气库涉及以下这些变量的一系列最佳值的选择：储气库的容积、井的产气速率、井数、套管尺寸、集输净化设备以及注气压缩机设施的大小。这些变量是相互关联的，它们之间存在非线性关系，所以用线性规划或者其它优化设计方法常常很难得到满意的结果。,2019/4/16,74,5.3 储气库系统的年综合费用 对储气库这样的大型工程项目，在满足工艺要求的前提下，经济上最省仍然是第一原则。 储气库的设计首先应满足其经济目标。以储气库的年综合费用来衡量其经济性。年综合费用的表达式为： 介绍模型 储气库的投资费用包括：气藏的投资、注采井的投资、集输设备的投资、净化设备的投资、注气压缩机及其附属设备的投资、储气库垫底气的投资。储气库的运行管理费用包括注气压缩机及其附属设备、集输净化设备以及注采气井等部分的运行、维修管理费用。,第五章 地下储气库系统优化设计,2019/4/16,75,5.4 储气库的投资 5.4.1储气藏的投资 地下储气库储气藏的投资是指将储气藏改造成满足储气要求所需要的那部分投资。我们认为，对于枯竭气藏型地下储气库主要是指原气藏固定资产的残值，在原气藏的基础上建设地下储气库固定资产的残值必然作为地下储气库固定资产投资的一部分考虑进总的投资内。这部分投资需将原气藏的投资和气藏的生产年限按照一定的折旧率换算成当前的投资。,第五章 地下储气库系统优化设计,2019/4/16,76,我们认为应该把原气藏地上、地下所有可以利用的设施的残值都考虑进去，这些设施主要包括地面集输系统及其辅助系统、原采气井等。对于其它类型的气库，例如地下含水层以及盐穴型地下储气库，其投资还必须包括储气目标层改造成储气层所需要的改造费用，其值的大小主要与储气库的规模以及目的层的埋藏深度有关。枯竭气藏型地下储气库气藏的投资计算公式为：,第五章 地下储气库系统优化设计,2019/4/16,77,5.4.2 注采井的投资 注采井的投资包括注采井钻井完井方面的投资、井下设施的投资以及井口装置几部分组成，另外，还应包括原气田可利用老井改造成注采井所需要的改造费用。 注采井的投资中钻井方面的投资主要与气藏地质特征和钻井总尺度以及井的类型有关，井下设施主要指套管、油管等设施，其与井的总深度、地层压力和注采气量有关。而井口装置主要与井口工艺、注采气量以及井口压力有关。气田可以利用的原生产井的改造方面的费用与此类似。,第五章 地下储气库系统优化设计,2019/4/16,78,5.4.3 集输与净化设备的投资 集输与净化设备是储气库地面工艺系统的重要组成部分，其投资与储气库注采气量、所处理天然气的性质以及系统的设计压力密切相关，而地面工艺系统的设计压力受到储气库气藏井口压力和与地下储气库系统相连的天然气输配系统的压力所限制。另外，集输与净化系统的投资还与储气库集输与净化系统的工艺流程相关。,第五章 地下储气库系统优化设计,2019/4/16,79,储气库集输工艺系统投资计算公式： 储气库净化工艺装置的投资主要与介质的性质、处理量和系统设备的设计压力有关。,第五章 地下储气库系统优化设计,2019/4/16,80,5.4.4 注气压缩机及辅助系统的投资 从输气干线来的天然气一般需要经过压缩后注入地下储气库。针对储气库用注气压缩机出口压力波动大、注气压力高的特点，储气库压缩机均推荐采用往复式压缩机。注气压缩机系统的投资与压缩机的功率成正比： 注气压缩机的辅助系统包括燃料气系统、空冷系统、润滑油系统等，这些系统通常作为压缩机成套设备的一部分由供应商统一提供。,第五章 地下储气库系统优化设计,2019/4/16,81,5.4.5 垫底气的投资 气藏压力降到无法开采时的气库内残存气量称为基础垫底气量。它是平衡气库闲置资源量的重要指标，在基础垫底气量的基础上，为了保证采气井能达到最低设计产量所需增加的垫气量称为附加垫底气量。若气库运行的最低压力值升高或降低，则附加垫底气量将增多或降低。总垫气量为基础垫底气量与附加垫底气量之和。,第五章 地下储气库系统优化设计,2019/4/16,82,垫底气比例的确定既与气藏本身地质条件相关，还取决于气库的运行条件，特别是采气末的井口压力。垫底气的主要作用体现在以下三个方面： 在采气末期使气库保持一定压力，以保持适当的供气能力； 当气库存在油环和边水时，保持一定量的垫底气将有利于减缓气库内原油或边水的侵入； 垫底气量越大，则气库压力和单井产量越大，采气井相应减少。 很显然，对于库容一定的地下储气库，垫底气量越大，越有利于增加单井产能，降低气井方面的投资，但垫底气增大将降低储气库的有效工作气量，从而降低了储气库的调峰能力，而且用于购买垫底气的这部分闲置资金越大。,第五章 地下储气库系统优化设计,2019/4/16,83,垫底气的投资用下式表示： 采气周期结束时储气库的储气量即为总垫底气量Ge，很显然，其满足以下关系式 总投资 前面介绍了储气库各部分投资的计算方法，储气库总投资为