储气库地面工艺技术.ppt

2020 3 31 天然气地下储气库技术 储气库地面工艺技术 2020 3 31 2 第六章储气库地面工艺技术 6 1储气库地面工艺设计原则地下储气库地面工程的工艺设计 除应遵循天然气储运设计的原则外 还应强调以下三点 1 应将地下储气库作为一个子系统放在整个天然气输配系统的大系统中 根据总投资和总消耗功率相对最低的原则 优选大系统中各环节间相互制约的基本参数和储气库地面工艺流程 如果在已建过部分建成的输配气系统中新建地下储气库 则应与已建部分尽可能的协调一致 2020 3 31 3 第六章储气库地面工艺技术 2 地下储气库的地面工程必须与所处地层的勘探 开发 监测和动态分析密切结合 地面工程设计必须以可靠的地质资料为依据 而地层情况需要在工程投产后 通过生产实践和对地层的监测 分析来检验和修正 储气层所能承受最大注气压力及最大库容量等基本参数需要通过一定的注采周期才能确定 所以储气库的地面工程常分期建成 一期工程具有试探性 设计的库容量约为最大库容量的70 经过试采 取得必要的数据后 再决定是否上二期工程 原定的设计规模是否需要调整等 2020 3 31 4 第六章储气库地面工艺技术 在工程设计中还须考虑到保护地层 即天然气注入地层前须经过净化处理 以免将润滑油和其它杂质代入地层中 影响地层渗透率 3 设计中必须充分考虑近期与远期工程的结合 在一期工程的总图设计中 必须为二期工程预留场地 在流程设计中 要考虑前后的衔接和统一 2020 3 31 5 第六章储气库地面工艺技术 6 2储气库地面工艺设计参数6 2 1最高储气压力与最大储气容量储气库气藏储气容量按下式计算储气层压力可以同改变注气压力进行人为控制的 储层压力与储层容量成正比 对具有一定几何结构和物理性质的储气层 提高储层压力可以增加储气容量 但压力过高又会破坏储气层封闭圈的密封性 导致储气泄漏 因此在确定最大注气压力时 既要充分利用储气层的储气能力 又要保护密封性 2020 3 31 6 第六章储气库地面工艺技术 井口处的最大注气压力可参考以下经验数据 1 可取与储气层平均深度等高的水柱静压头 当有5m以上厚度的粘土盖层时 可取压头的1 3 1 5倍 2 可取储气层的原始压力或原始压力的1 15 1 20倍 根据国外经验 实际最大注气压力和相应的最大储气容量应通过注气实践才能确定 在地地下储气库投运的前几个注采周期内 最大注气压力一般取最大允许压力理论值的70 左右 通过几个注采周期 在观测 分析和评价储气层密封性的基础上 再确定最大注气压力以及相应的最大储气容量 2020 3 31 7 第六章储气库地面工艺技术 6 2 2最低采气压力及相关参数最低采气压力与储气层的最低压力是一致的 它与下列参数密切相关 1 垫底气量和有效工作气量 2 采出气外输压力采出气外输压力主要取决于储气库与输气干线之间连接管道的摩阻和节点处的压力 而两者都可以随设计条件而变化 所以确定外输压力时 应该 也有可能 兼顾最小采气压力的取值 当外输距离不太长时 包括储气库至输气干线的节点 节点至城市门站或配气站 应使最小采气压力高于外输压力 利用地层压力将采出气输进输气干线 当采出气外输距离很长 需要遇过增压来达到必要的外输压力时 外输压力 最小采气压力应与压缩比相匹配 2020 3 31 8 第六章储气库地面工艺技术 3 采气井井数采气井井数取决于储气库的日供气量和单井产气量 前者由整个输配气系统的供 需物料平衡来确定 后者则与采气压力密切相关 显然采气压力越高则单井产量越高 在总供气量一定的前提下 采气井井数就可以减少 钻井费用 井场及管网设施的投资均可相应减少 但最小采气压力是靠垫底气来维护的 要减少来气井井数就得增加垫底气量 所以采气井井数同最小采气压力一样与垫底气量之间存在着相互制约的关系 2020 3 31 9 第六章储气库地面工艺技术 6 2 3压缩比在地下储气库地面工程中 用于天然气增压的压缩机是最大的动力消耗 适宜的压缩比对节能降耗和合理分配压缩级数都很重要 一般地下储气库都设置注气压缩机 井口处的最大注气压力是由地层的特性决定的 此压力可以推算注气压缩机出口压力 出口压力一定 通过优选入口压力来确定适宜的压比 压缩机入口压力与输气干线至储气库节点处的管压相对应 节点处的管压既要与输气干线系统协调一致 又要兼顾注气压缩机合理的压比 在多数情况下输气干线与储气库之间通过单线连接 接点处的压力左右着采出气的外输压力 也影响着最小采气压力 2020 3 31 10 第六章储气库地面工艺技术 6 3储气库地面工艺流程储气库地面工艺包括井口工艺 注气工艺 采气工艺以及输气干线工艺 6 3 1储气库井口工艺流程这里所说储气库的井口工艺流程是指从井口装置到净化工艺系统入口 采气工艺 以及从压缩机出口汇管到注气井井口装置 注气工艺 这部分工艺流程和设备 这部分工艺流程有时也称为集输工艺流程 目前储气库注采井井口工艺流程方案大致可分为两类 2020 3 31 11 第六章储气库地面工艺技术 第一类井口工艺流程每口单井敷设一条注 采 管线至集注站 注采阀组及选井计量阀组设在集注站内 第二类井口工艺流程第二类是将所有注采井口集中到一钻井平台上 钻井平台敷设一条采气汇管 一条注气汇管以及一条单井计量管线至集注站 注采阀组及选井计量阀组建在钻井平台上 2020 3 31 12 第六章储气库地面工艺技术 第一类工艺流程的优点是注采及计量阀组建在集注站内 便于集中管理与控制 但是由于每口注采井均需敷设一条单井管线 因此其投资比第二类工艺方案要高 储气库系统采用注采同井的工艺方案会造成干湿气混用一条管道 且为了满足注气要求 管线设计压力较高 但若为了避免干湿气混用一条管道而对每口井均建一条注气管道和集气管道 则将使集输系统的投资大大的增加 因此对于第一类工艺方案适用于集注站与注采井距离较近而且注 采气气质比较接近 干湿气可以混用一条管道 的场合 2020 3 31 13 第六章储气库地面工艺技术 第二类井口工艺方案避免了第一类井口工艺方案干湿气共用一根管道可能造成的管线堵塞问题 而且由于钻井平台与集注站之间只需敷设一条采气汇管 注气汇管以及一条单井计量管线 因此在同等情况下其投资比第一类方案的投资少 其主要缺点是注采及计量阀组建设在钻井平台上 不便于集中管理 因此第二类井口工艺方案适用于井口布置相对比较集中或者注采井口距注采站较远的场合 2020 3 31 14 第六章储气库地面工艺技术 究竟采用何种集输工艺流程需要经过技术经济论证加以确定 一般来说 为了适应储气库强注强采的工艺要求 储气库注采井通常布置在构造的高部位以保持较高的采气速度 因此其井口装置相对比较集中 随着钻井技术的发展 完全可以将所有的注采井井口集中在一钻井平台上 而通过打大位移水平井或斜井的方式到达注采的目的层 另外自控设备和远程控制技术的提高 对于储气库钻井平台各阀组的控制将不成问题 因此对于储气库注采工艺系统我们倾向于采用第二类工艺流程 2020 3 31 15 第六章储气库地面工艺技术 井口工艺流程还与井流物的压力 温度以及性质有关 主要是在井口需不需要采取防冻措施 其可以根据极限工况下预测的井口温度以及节流后的温度是否形成水合物来确定 但即便是预测温度高于水合物形成温度在实际中也有可能形成水合物 如我国的大张坨地下储气库 由于井口开停比较频繁 低温条件下开井时 地层温度场的形成需要一定的时间 在开井初期由于井口温度达不到预测的温度 井流物节流后存在单井管线冻堵现象 因此在大张坨二 三期工程中井口均采取了防冻措施 在钻井平台建设甲醇注入橇一套 2020 3 31 16 第六章储气库地面工艺技术 典型的第二类井口工艺流程 文96地下储气库 2020 3 31 17 第六章储气库地面工艺技术 从井口来的天然气经过井口过滤分离器 过滤分离出与气体中所携带的有机碳 液烃 水等杂质 为避免气井井筒冻堵和过滤分离器的净化效果达到外输要求 再通过气井井口加药装置 适当向井筒的采气套管和采气单管内加入一定量的甲醇 加药过程与过滤分离过程同步进行 当管线运行一定周期 通过井口投球清管装置 对单井管线进行清扫 以清理管道变径节流的死角 第一类井口工艺流程 2020 3 31 18 第六章储气库地面工艺技术 6 3 2储气库注气工艺流程注气流程有两种基本形式 1 靠注气压缩机增压注气 2 靠输气干线的管压注气 压缩机增压注气流程 管压注气流程 2020 3 31 19 第六章储气库地面工艺技术 两种流程的差别在于是否设注气压缩机 这需要结合整个输配气系统全面考虑 只有当储气库与输气干线连接处的管压高于最大注气压力时 才能不设注气压缩机 显然 在大多数情况下需要设注气压缩机 当储气库与输气干线的增压站相隔不远时 可考虑将注气压缩机放在增压站 共用水 电等配套工程以简化储气库的流程和节约整个输配气系统的总投资 注气压缩机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 往复式压缩机与离心式压缩机相比 注气量受排气压力影响小 且操作弹性大 而离心式压缩机因存在喘振现象 操作弹性小 往复式压缩机从适应性 运行上都较离心式压缩机高 因此储气库压缩机均推荐采用往复式压缩机 2020 3 31 20 第六章储气库地面工艺技术 两种流程的差别在于是否设注气压缩机 这需要结合整个输配气系统全面考虑 只有当储气库与输气干线连接处的管压高于最大注气压力时 才能不设注气压缩机 显然 在大多数情况下需要设注气压缩机 当储气库与输气干线的增压站相隔不远时 可考虑将注气压缩机放在增压站 共用水 电等配套工程以简化储气库的流程和节约整个输配气系统的总投资 注气压缩机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 往复式压缩机与离心式压缩机相比 注气量受排气压力影响小 且操作弹性大 而离心式压缩机因存在喘振现象 操作弹性小 往复式压缩机从适应性 运行上都较离心式压缩机高 因此储气库压缩机均推荐采用往复式压缩机 2020 3 31 21 第六章储气库地面工艺技术 对于注气压缩机的驱动方式一般有两种 电动机驱动和燃气驱动 电动机驱动适用于机组运行工况比较稳定的情况 具有启动时间短 控制精度高 维修费用低等优点 其缺点是变工况运行时调速电动机投资较高 控制复杂 电机负荷随出口参数的变化 联轴的扭力变化频繁 幅度大 将对当地电网造成不利影响 燃气驱动方式直接利用天然气作为动力源 运行费用低 且气源来源可靠 能量利用合理 若采用燃气发动机驱动 需配置一套燃料供气系统 燃气发动机驱动对外界的依赖小 可通过调节燃气发动机的转速与压缩机相匹配 从而满足注气工况的要求 电动机驱动的优点在于可靠性较高 停机后再启动比较容易 而且日常维护工作量较小 而燃气发动机驱动的优点主要表现在能源综合利用率较高上 究竟采用何种驱动方式需经过技术经济分析论证 2020 3 31 22 第六章储气库地面工艺技术 6 3 3储气库采气净化工艺流程储气库的采气净化工艺部分是指在采气阶段将采出的天然气进行处理使之达到外输气要求的这部分工艺装置和设备 一般来说 注气阶段注入储气库的干天然气经过气藏一段时间的储存在采气阶段采出 受气藏性质的影响 其性质和组分将发生改变 如将含一定水 凝析液或机械杂质 必须经过处理才能达到外输气的质量要求 由于净化工艺流程的主要目的是控制外输天然气的露点温度 因此 储气库采气净化工艺装置常常也称为露点控制装置 2020 3 31 23 第六章储气库地面工艺技术 6 3 3储气库采气净化工艺流程采气工艺流程有两种形式 1 完全依靠地层的压力将采出气输至输气干线 2 靠地层压力和外输压缩机将采出气输至输气干线采气初期 地层压力较高可不投用压缩机 当压力降到一定值才启动外输压缩机 两种流程的差别在于是否设外输压缩机 多数情况下 当最低采气压力高于外输所需压力时 可不设外输压缩机 以简化流程 节省地面工程投资和动力消耗 依靠地层压力的采气流程 需要增压的采气流程 2020 3 31 24 第六章储气库地面工艺技术 由于储气库井口压力和外输压力相比较高 而且储气库的运行要求有较大的操作弹性和较浅的制冷深度 因此 储气库露点控制装置一般采用 注防冻剂 节流制冷 的工艺 我国的大张坨地下储气库一 二 三期工程均采用此工艺对采出天然气进行露点控制 其大致工艺过程如下 采出的天然气井流物经集输管道进三相分离器进行油 气 水三相分离 分出的凝析液和水分别计量后混合进入储气库凝液管道输至凝液处理装置 分离出的天然气注入防冻剂 如乙二醇 三甘醇等 主要根据露点控制的深度来确定 大张坨地下储气库采用的是乙二醇 后进冷箱与低温分离器分出的天然气换冷 节流后进低温三相分离器 低温分离器出来的气相经冷箱复热达到规定的露点要求后外输 分离出的凝析液去凝析液管线 防冻剂水溶液进防冻剂再生系统再生重复使用 2020 3 31 25 第六章储气库地面工艺技术 储气库采出天然气的净化流程 2020 3 31 26 第六章储气库地面工艺技术 需要说明的是 储气库采出天然气的净化以脱水为主 是否需要建设专门的凝液回收装置需具体情况具体分析 因为注入地下储气库的天然气来自输气干线 而气体在进入干线之前一般已经过回收凝液和脱除酸性气体的处理 对建在枯竭气藏中的地下储气库 在注采开始的几个周期内由于保留了原气藏中的气 采出气中重组分较多 但呈逐渐减少的趋势 是否需要专门设置回收凝液的装置 应通过全面的经济技术对比 可配合地面工程的分期建设 在一期工程中设置一些活动式的简易装置 比如撬装的辅助致冷设施 在二期工程中再斟情拆除或完善 只有少数地下储气库 采出气气量大且重组分含量多 如建在气顶附近 注入气未经深度处理的地下储气库 油田开发初期 为储存伴生气而建的储气库 才需要设置专门的凝液回收装置 2020 3 31 27 7 1管网 储气库系统仿真储气库系统是按照设计工况来优化设计的 在设计工况下其运行是最优的 但在实际的运行中 很多因素都可能导致其运行工况偏离设计工况 储气库系统设计方案是否能够满足各种工况的要求 运行方案是否合理 应该进行更为详细的分析 实际生产中系统运行工况不断变化 必须根据实际变化的工况对储气库系统的运行进行优化 从而在储气库系统满足生产要求的原则下 保证整个运行管理费用的最低 第七章储气库系统仿真与优化运行 2020 3 31 28 天然气管网系统是一个统一密闭的水力系统 储气库系统作为其中的一个子系统 其运行工况必然受到整个管网系统的影响 反过来其也影响到整个管网的运行工况 因此 在分析其运行工况时应该统一加以考虑 管道系统的计算机仿真是储气库系统运行优化的基础 只有通过仿真全面掌握储气库系统的各种运行方案 才能更好的解决系统的优化运行问题 第七章储气库系统仿真与优化运行 2020 3 31 29 7 1 1管网仿真模型管网 储气库系统的仿真可看成一元稳态流动的仿真 描述气体在管道内流动的基本方程式包括连续性方程 运动方程 能量方程以及气体状态方程 连续性方程 第七章储气库系统仿真与优化运行 2020 3 31 30 运动方程 能量方程上面三式构成气体一元稳定流动的基本方程式 为了便于求解 将其写成如下统一的形式 第七章储气库系统仿真与优化运行 2020 3 31 31 分别用y1 y2 y3代表T P v 并令向量 可将上面三式写成如下统一形式 可见 气体一元流动稳态仿真模型由一系列常微分方程组构成 管网中的非管元件模型 如果管道中包含有阀门 压缩机 站场 储气库等非管元件 它们的特性将对管道中流体流动的性能产生重要的影响 在仿真计算中必须加以考虑 第七章储气库系统仿真与优化运行 2020 3 31 32 7 1 2管网中的非管元件模型压缩机模型调压阀模型止回阀模型一般阻力元件模型储气库模型站场模型 第七章储气库系统仿真与优化运行 2020 3 31 33 7 1 3边界条件边界值条件是指模型中函数y的值的代数条件 通常 正是边界值条件的属性决定了哪种数值解法是可行的 边界值条件可归纳为两种类型 一种是已知管道起点的流量 压力 温度条件 x 0时的y值 希望求出在管道其它位置处的流量 压力 温度参数 知道管道起点参数的这类问题常称为初值问题 另一种情况是在管道起点不完全知道流量 压力 温度的条件 还需要在管道其它位置补充条件 在此基础上确定管道上各位置的待求参量 这种问题称为多点边界值问题 相比而言 对第二类边界条件的求解通常要困难一些 第七章储气库系统仿真与优化运行 2020 3 31 34 对于管网 储气库组成的管道系统的仿真究竟属于哪一类问题 还没有见到有关的论述 笔者认为 单就储气库这个节点而言 在注气期 常常知道储气库的注气量 需要分析储气库的进站压力 此时属于边值问题 而在采气期 储气库的压力 流量均为已知参数 所以应该属于初值问题 当然 由管网 储气库组成的管道系统还包括其它节点边界的情况 因此需要具体问题具体分析 不能一概而论 7 1 4仿真模型的求解管网仿真模型的求解采用数值方法 对于初值问题 一般采用四阶龙格库塔法 对于多点边值问题 常采用松弛法 第七章储气库系统仿真与优化运行 2020 3 31 35 7 2储气库系统的运行优化城市天然气季节性消费量的变化决定了天然气地下储气库的注采动态运行过程 由于储气库地质构造的非均质性以及储层存储和传输流体能力的不同 若库内井的注采量不合理 可能导致局部压力升高过快 使天然气溢失甚至发生危险 或者压力降过大 使岩石骨架上覆压力增高过猛 底水锥进 降低储层原有的渗流特性 将天然气地下储气库的注采动态数学模型和地下储气库地面工艺相结合 在夏 冬季储库的运行分别以压缩机站最小的功率消耗和使城市能获得储库最大的调峰采气量为目标函数建立地下储气库运行优化模型 第七章储气库系统仿真与优化运行 2020 3 31 36 7 2 1目标函数地下储气库的运行分为夏季注气 冬季采气两个阶段 两个阶段运行的工艺目的不一样 因此运行优化的目标函数也必然不相同 夏季夏季储气库运行的目标函数为 在整个注气期内 以注气压缩机最小的功率消耗 将输气干线夏季剩余的天然气按注气工艺要求全部注入地下储气库 第七章储气库系统仿真与优化运行 2020 3 31 37 冬季地下储气库冬季运行的主要任务是调峰 即按工艺要求将气库内的天然气采出以补充长输干线冬季供气的不足 很显然 在允许的范围内 地下储气库的调峰能力越大越好 因此冬季储气库运行的目标函数为 整个采气期内 使城市燃气能获得最大的调峰采气量 第七章储气库系统仿真与优化运行 2020 3 31 38 7 2 2约束条件夏季 1 注气总量约束 2 单井最大注入量约束 各单井最大的井口压力限制了单井的最大注入量 而单井最大井口压力由地面工艺设备和气层岩石所能承受的最大压力所限制 通过气井流动方程 油管内流动方程 可求出各井注入量的限制 同时优化运行时还要确定在所讨论的时间内 井是否在生产 所以单井最大注入量约束为 3 平均地层压力约束 第七章储气库系统仿真与优化运行 2020 3 31 39 冬季 1 采气周期内城市燃气需用量约束 2 单井最大采气量约束 各单井最小的井口压力限制了单井的最大采气量 单井最小井口压力由地面集输工艺要求的最小集气压力所限制 而最小集气压力通过保证采出天然气经过净化处理后的压力大于输气干线的进气压力的原则来确定 同样根据气井流动方程 油管内流动方程 可求出各井最大采出量的限制 3 储气库地层平均压力约束 第七章储气库系统仿真与优化运行 2020 3 31 40 7 2 3模型的求解储气库夏季和冬季优化目标函数和各自的约束条件构成了储气库夏季注气期和冬季采气期的优化分析模型 储气库优化运行的最终目标是 在满足目标函数有极值时求各单井最佳的注采气量 各单井在储气库气藏所处的位置不同 由于气藏各部位的渗透率 饱和度以及储层厚度都不一样 因此各单井的最佳注采气量也不尽相同 很显然 储气库运行优化必须与储气库气藏的数值模拟相结合 用有约束条件的复形调优法 求解储气库的运行优化模型 第七章储气库系统仿真与优化运行 2020 3 31 41 通过优化的方法得到各单井的最佳配产方案 从而确定储气库的最佳运行模式 由于在配产中考虑了储气库气藏的地层压力 地层参数和气体性质等的影响 遵循了气藏的生产规律 因此所