大张坨凝析气藏改建地下储气库地面工程配套技术

地下储气（油）库工程技术国际研讨会-北京2008PAGEPAGE220大张坨凝析气藏改建地下储气库地面工程配套技术王凤田1阳小平1邵颖丽2王峰2卫晓2（1.北京华油天然气有限责任公司储气库处，北京100101；2.中国石油天然气管道工程有限公司天津分公司，天津300280）摘要：通过开展国内外地下储气库的现场调研，对大张坨地下储气库建设和运行管理过程中存在的问题进行了研究。提出了凝析油气田型地下储气库地面工程配套的11项技术方案。阐述了通过实施技术方案取得的10项研究成果，认为这些研究成果填补了我国砂岩油气藏型地下储气库建设的空白，地下储气库地面工程配套技术可以为类似地下储气库和低压油气藏的开发建设提供工程依据。关键词：大张坨；改建；储气库；配套技术一、前言天然气是优质、高效、洁净无污染的绿色能源，已逐步成为新世纪广泛使用的能源之一。我国是一个天然气分布极不平衡的国家，总体呈现西部富集、东部缺乏的格局。为促进我国天然气工业和西部大开发，从根本上改善北京市大气环境质量，以满足北京市申办2008年绿色奥运的需要，同时缓解北京以及华北地区天然气供应紧张的形势，国家计委批准的陕京输气管道于1997年9月建成并投产，在之后二年，天然气需求得到了快速发展，尤其是京津地区天然气季节需求的巨大差异性，显露出了储气库建设的紧迫性。为满足京津地区对天然气日益增长的需求，于2001年6月建成投产我国第一座大型的、具有季节调峰功能的天然气地下储气库－大张坨地下储气库，形成了日注气320万方/天，日采气500万方/天的能力。2003年对大张坨储气库进行了扩建，增加了三口加密井，新建一套500万方/天的天然气处理装置及配套系统，使大张坨储气库的应急调峰能力提高到1000万方/天。二、技术方案1．站址的选择大张坨气藏在循环注气开发时，就已在独流碱河内堆积300×80m2人工岛，因此设计大张坨地下储气库集注站建在大张坨人工岛上，以充分利用人工岛上已有设施；新增压缩机组与原有注气压缩机组毗邻布置，减少占地，降低工程投资；公用及辅助系统可与新建大张坨储气库集气站统一考虑、统一管理。2.站外集输流程（1）井口阀组大张坨地下储气库位于独流碱河泄洪区，为了保证储气库在洪水期间仍能生产，在A、B井组分别设计高4米的阀组一座，并参照国外以及海上的先进经验，在阀组单井管线上设置了液压式紧急切断阀，当集气管线发生事故时，可以及时实施井口自动关断，防止事故进一步扩大，井口的紧急切断阀、操作参数还可以通过井组设置的RTU与集注站控制室进行无线通讯联系，集注站可以遥控关断，实现井场的无人值守操作。（2）注采管线根据注采地质方案，大张坨储气库设计平均日注气量320104m3，平均日采气量500104m3，扩建后，平均日采气量可达1000104m3，注气和采气不会同时进行，采气管线流量大于注气管线流量，而注气管线所要求的设计压力远大于采气管线。从管线制造技术的可行性、投资、施工质量、管理等方面综合考虑，采用了注气管线和采气管线各自用不同管线的方案。3.注气工艺（1）压缩机选型适合地下储气库工况要求的高出口压力、高压比、较高流量的压缩机主要有往复式和离心式两种。与离心式压缩机相比，往复式压缩机具有压力范围较广（从低压到高压都适用）、排气量变化范围大、适应性强、热效率较高、能耗低、大修可实现国产化等诸多优点，考虑注气压缩机出口压力高且波动范围大（16～24MPa），但入口条件相对稳定体积流量相对较小的工况，往复式压缩机从适应性、运行上都比离心式压缩机更能适合注气压缩机的操作条件，因此注气压缩机选用往复式压缩机。而在驱动方式上有燃气驱动和电力驱动。考虑到燃气驱动直接采用天然气驱动压缩机，不但燃料供应充足、方便易得，而且避免了能量转换过程中的能量损失，节省投资和操作费用，且压缩机房在较空旷的河道泄洪区内，远离居民生活区，其噪音不会对居民生活造成太大影响，因此推荐采用燃气驱动。根据注气压缩机组的入口压力和出口压力范围，从降低一次性投资、节省占地面积以及机组的适应性方面综合权衡考虑，采用四台压缩机组配置，单机排量为80万方/天。注气工艺选用4台燃气发动机驱动的往复式注气压缩机组，有效的适应了进出口压力变化和来气量变化的储气库注气期运行工况，在压缩机入口设旋风分离器和高效过滤设备，确保压缩机运行安全。压缩机自带润滑油过滤分离设施，保证储气库运行安全，保护地层不受污染。（2）压缩机后冷器陕京来气经注气压缩机压缩至25MPa后，排出气体温度较高，约120℃，冷却至50℃以下才能注入储气库。冷却可选用的方案有冷介质换热和空冷器直接冷却两种方案。综合比较两种方案，采用空冷，一次性投资较高，但操作运行费用较低，操作简单，安全可靠，占地少；采用循环冷却水冷却，虽然一次性投资较低，但设备多，占地大，操作运行费用较高，操作复杂，且大张坨人工岛上缺乏水源和动力电源。因此推荐采用空冷，由注气压缩机组附带空冷器，空冷器风机由燃气发动机带动。4．采气工艺大张坨区块属于凝析气藏，天然气中富含凝析油，采出的天然气中C3以上组分含量较多，若不进行处理直接外输，将损失大量的液化石油气（主要组分为C3和C4），造成能源的浪费。根据该地区的气象资料，天然气的烃露点达到-5℃，即可天然气满足在长输管线中不产生天然气凝液的条件。因此，大张坨地下储气库采气工艺采用了技术先进、流程简单、操作弹性大的露点控制工艺，即J-T阀节流制冷和注乙二醇防冻技术，井口采用直接节流工艺、集输管线采用高压不保温集输工艺、集注站内采用高效换热（板翅式换热器）节流工艺，充分利用了地层的压力能，并考虑乙二醇再生循环使用，有效的降低防冻剂消耗。由于采气末期井口压力与天然气外输压力相差不大（最小压差几乎为0MPa），无足够的压力能利用，因此露点处理装置设计采用冷剂辅助制冷工艺，新建二套丙烷辅助制冷系统，在采气末期无足够压力能时采用丙烷制冷压缩机辅助制冷可将天然气外输烃露点控制在-5℃以下，用于满足采气中期、末期外输天然气气质的要求。综上所述，露点控制法脱水脱烃工艺前期采用节流制＋注醇防冻工艺，中、后期采用丙烷压缩机辅助制冷工艺。5．总体工艺流程（1）采气流程注采井组A、B井组产天然气及凝液经注采井组至人工岛集气管线（A井组至人工岛Ф325管线3.5km，B井组至人工岛Ф273管线1.4km）在人工岛汇合后（38.5℃，7.2MPa），进生产分离器进行两相分离，分出的凝析油经人工岛-板一联合站凝液管线进板一联合站处理，天然气进集注站处理。天然气经予冷器冷却后（25℃），进入予分离器，分离出液烃后经分配阀组分配，分别进入小露点控制撬和露点控制主装置。进主装置的天然气分两股,一股进冷箱与低温分离器分出的天然气换冷至6.5℃，7.1MPa，另一股进凝液加热器与低温分离器分出的液相和小露点装置来凝液混合物换冷至7.5℃，7.1MPa，换冷后的两股天然气混合后(6.6℃，7.1MPa)节流进低温分离器(-4.2℃，4.82MPa)。予分离器分出的凝液进入低温分离器的底部，使冷凝下来的轻组分重新闪蒸至气相中，以降低天然气减量。低温分离器分出的气相经冷箱复热后（20℃，4.8MPa）经双向输气管线输至大港外输首站后进入陕京输气管道。为克服低温下醇烃难于分离，低温分离器分出的凝液先经凝液加热器复热后（10℃，4.8MPa），进富乙二醇分离器进行气、凝液和乙二醇水溶液三相分离，分出气和凝液混合后去人工岛至板一联合站的输油管线外输至板一联合站进行处理，乙二醇水溶液去乙二醇再生系统再生。（2）注气流程陕京线来天然气（20℃，2.2MPa）自大港外输首站经双向输气管线输至集注站，先进进站过滤器滤除粉尘和杂质后，进入注气压缩机组压缩，再经空冷器冷却后（70℃，27MPa），经高压注气管线输至注采阀组，经注气阀组分配计量后，进注采井注入地下储气库。6．计量方案为了掌握每口井的生产动态，并考虑节约投资，利用注气管线实现采气期间的单井选井计量。而根据地质提供的基础资料，气井中的含水量较少，不会影响到气井开采，气井开采按储气库方案运行后，采出液量将逐渐减少，含水量将极少，因此推荐采用了两相计量方式。7．自控系统为实现陕京输气管线北京控制中心能及时了解所有的气源情况及用气情况，采用世界上先进的SCADA控制系统，通过卫星通讯把所有数据传至北京控制中心，北京控制还可以了解到每口井的生产情况、每个用户的用气情况以便进行气量调配。通过SCADA系统，完成各工艺参数的检测、调节、紧急关断控制、报表的自动生成和数据的上传。8．地下储气库调峰技术作为储存手段的地下储气库是包括气田、长输管线、用户在内的整个产供销系统的一个子系统，必须把地下储气库放在整个系统中进行计算和优化，才能得到更优化的方案，使工程投资和操作费用整体降低，经济性加强。研究中根据各种理论模型，借助先进的工艺模拟计算软件，对包括地下储气库在内的整个天然气输配网络进行动态模拟计算，形成了在包括产、供、储、销在内的整个天然气网络的优化计算技术，成功地解决了大型工艺模拟软件在地下储气库地面工程中合理组配，并确定了科学合理的适用范围。储气库的注采能力设计，基础依据是均采均注，即根据储气库的工作库容，按注气期和采气期的时间分布，确定平均的采气和注气规模。例如大张坨，设计工作库容6亿方，注气期220天，采气期120天，注气规模320万方/天，采气规模500万方/天。而从2002年采气期的情况看，高峰用气量只有一个月左右，其它时间的用气量很少，储气库库容内有富裕气量未完全采出，大张坨储气库有增大采气规模的能力。所以，研究认为，应突破均采均注的观念，增大大张坨储气库的采气能力，发挥储气库的最大工作库容。做好调峰总体平衡，发挥储气库的调峰能力。对于季节性调峰地下储气库用于日调峰的适应性，研究得出结论：(1)储气库的调峰是储气库和输气管道共同作用的过程，储气库以季节调峰为主，管道以日调峰为主，管道日调峰能力取决于运行压力区间和管道的长度，调峰能力有限；(2)采气期储气库的日调峰通过开关采气井的数量来实现；(3)注气期储气库的日调峰通过起停注气压缩机组的数量来实现；(4)在气田供气量不变，用户需求量不断波动情况下，通过管线储气基本可以实现日调峰，在特殊情况下，需要储气库来协助进行日调峰。9．地下储气库防冻技术在储气库运行初期开井时，由于井流物携热量不同而使井口温度不同，井口防冻问题比较突出，又由于井口关停频繁，使埋地管线不能很好的建立温度场，单井集输管线的冻堵问题比较严重。研究结果表明，分阶段、分单元注醇防冻，是解决防冻问题的最优方案。储气库的地面工程露点控制中的防冻措施，对于单井井口，就是间歇地、适时地、短时间地在单井井口注甲醇，防止开井时井口的短期低温管线冻堵；在露点控制装置内部，通过注入乙二醇防冻剂，使控制烃露点的低温流程不冻堵，同时吸收析出游离水，达到控制水露点的目的，乙二醇通过再生后循环使用。10．地面设备标准化及安全设计标准化(1)设备标准化、橇装化我国天然气工业已处于飞速发展阶段，一批天然气长输管线正在设计建设中，这就要求及时快速的完成配套地下储气库的建设，标准化、撬装化的地面工艺装置的研究制造将大大提高地下储气库的建设速度。通过对地下储气库设备撬装化、标准化研究，实现了地下储气库地面设备的系列化和标准化，为下一个地下储气库的设计和建设提供了一个便携的途径，并可以缩短地下储气库的建设周期。地下储气库地面处理设施的橇装化可以实现设备工厂预制，有助于保证制造水平、减少工人劳动强度。通过研究，确定了120×104m3/d、180×104m3/d富含凝析油型和贫气型储气库露点控制橇装化装置的设计参数；确定了配套180×104m3/d、300×104m3/d、500×104m3/d和600×104m3/d露点控制装置的橇装化乙二醇再生装置的设计参数，循环量分别为180kg/h、300kg/h、500kg/h和600kg/h；系列化120×104m3/d、180×104m3/d的天然气旋风分离设备和过滤设备，50×104m3/d、80×104m3/d系列的高精度润滑油过滤设备。(2)安全防火规范研究由于地下储气库的建设在我国还是新生事物，目前该类型工程设计防火主要依据现行的国家油气田建设有关标准。但地下储气库的建设和运行与油气田产能建设有很大差异，根据工程特点和国外地下储气库的防火设计情况，提出了地下储气库消防系统配置的新思路，已提供给正在修订的《原油和天然气工程设计防火规范》（GB50183）编写委员会。防火设计研究认为，在保证安全前提下简化储气库的防火设计，将能降低工程投资。11．压缩机组技术改进(1)针对大张坨储气库2003年夏季出现机组非故障停机情况，现场检查后确认为机组发动机润滑油温度高导致故障停机。经过对现场分析认为：空冷器翅片间脏，影响换热效果。因此，为了保证机组在夏季的正常运行，从2004年开始陆续采用了机组空冷器翅片外清洗、现场增加喷淋降温（现场增加喷淋降温设施主要是利用外加泵抽水打入临时架设的管路中，利用管路上的小孔产生喷淋效果，来降低环境温和空冷器周边空气温度，加强换热效果）的措施，效果明显。（2）压缩机二级缸增加注油泵：大张坨储气库注气压缩机组二级缸注油泵有3个（每个缸注油点4个，共8个），注油方式为集中分配，非点对点式。机组运行中经常出现注油偏流现象，导致机组二级活塞杆划伤、盘根损坏。2003年在A机组二级注油系统中增加注油泵一个，以增大注油总量。2003年注气期A机组二级活塞杆未出现划痕现象，机组运行良好。（3）压缩机三级缸注油管路增加监测设施在大张坨储气库注气生产过程中，发现在注气生产后期（地层压力较高），机组三级出口长时间在高压工况下运行，压缩机三级注油管接头部位经常出现断裂、损坏现象。经过认真研究，提出在压缩机三级缸注油管增加监控设施的方案，在第一时间发现注油管的异常情况，避免机组出现因缺油造成的活塞杆、盘根损坏。该方案已在板876储气库实施，效果明显。三、实施效果本工程方案设计合理、工艺技术先进、设备选型适用可靠、质量控制规范科学，实现了“高质量、高水平、高速度、高效益”的建设目标，填补了我国砂岩油气藏型地下储气库建设的空白，达到国内领先水平，为今后国内同类地下储气库的建设提供了借鉴。储气库经2001－2006年6个注采周期的运行考验，年有效工作气量、各项注采工艺指标（单井、系统）均达到设计要求。1．注气压缩机组采用燃气发动机驱动的往复式注气压缩机组，采用涡轮增压加后冷及内混燃烧技术，低排放，空燃比自动控制，气缸爆震监测，ESS全自动控制系统。解决了高排量、高压力、高负荷的大型往复式压缩机安装了脉冲、震动问题。通过四个注采周期的运行，注气压缩机单机排量为80×104m3/d，最高出口压力达27.6MPa，各项操作参数均在设计范围内，达到了设计预期效果。2．大张坨地下储气库采气工艺采用了技术先进、流程短、操作弹性大的露点控制工艺，即J-T阀节流制冷+注乙二醇防冻工艺，中、后期采用丙烷压缩机辅助制冷的工艺；井口采用直接节流工艺、集输管线采用高压不保温集输工艺、集注站内采用高效换热节流工艺，充分利用了地层的压力能，并考虑乙二醇再生循环使用，乙二醇回收率可达75％以上，有效的降低防冻剂消耗，降低操作费用。各采气期露点基本控制在-5℃以下，输出的天然气气质合格。3．采用的选井计量方式，可基本摸清每口井的生产能力，满足了动态分析的需要。4．采用国际上先进的超声波流量计，实现了注气、采气的双向计量，该流量计具有可在线维护、量程比高（1:100）、寿命长、计量精度高的优点，与采用孔板相比，每套节省投资近30万元。5．在井口以及集注站设置的紧急切断阀，在“11·9爆管事故”中实现了全场自动关断，保障了储气库的安全。6．采用国产X60钢带、在国内卷管的工艺，通过在工程的应用，证明效果是良好的，取得了良好的经济效益。7．地下储气库调峰技术通过地下储气库调峰技术的研究，突破了“均采均注”的观念，增大了大张坨储气库的调峰采气能力，发挥了储气库的最大工作库容。这一结论，已应用于2003年大张坨地下储气库和板876地下储气库的扩建工程中。8．地下储气库防冻技术经过生产实践证明，