储气库技术(1-5)

天然气地下储气库技术天然气地下储气库技术西南石油学院西南石油学院 梁光川梁光川专题讲座专题讲座2024/5/4提纲提纲q1 1 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述q2 2 天然气地下储气库的选型及库址的选择天然气地下储气库的选型及库址的选择q3 3 地下储气库库容的确定地下储气库库容的确定q4 4 地下储气库注采动态数值模拟地下储气库注采动态数值模拟 q5 5 地下储气库的优化设计地下储气库的优化设计q6 6 地下储气库地面工艺技术地下储气库地面工艺技术q7 7 地下地下储气库系统仿真及优化运行储气库系统仿真及优化运行q8 8 相关建议相关建议2024/5/42天然气地下储气库技术天然气地下储气库技术第一章地下储气库技术概述2024/5/4第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.1 天然气地下储气库技术研究的意义天然气地下储气库技术研究的意义 在在天天然然气气工工业业体体系系中中，天天然然气气储储运运设设施施是是联联系系天天然然气气生生产产与与使使用用的的纽纽带带，是是将将开开采采出出来来并并经经净净化化处处理理达达标标的的合合格格天天然然气气提提交交给给用用户户的的不可或缺的中间环节。不可或缺的中间环节。在在天天然然气气供供应应与与消消费费之之间间，一一直直存存在在着着可可靠靠、安安全全、平平稳稳、连连续续供供气气与与消消费费需需求求量量季季节节、昼昼夜夜、小小时时不不均均衡衡性性的的固固有有矛矛盾盾。解解决决这这一一矛矛盾的主要措施是实行天然气储备。盾的主要措施是实行天然气储备。2024/5/44第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.1 天然气地下储气库技术研究的意义天然气地下储气库技术研究的意义 地地下下储储气气库库容容量量大大，储储气气压压力力高高，储储气气成成本本低低，是是当当今今世世界界天天然然气气的的主主要要储储存存方方式式。天天然然气气地地下下储储气气库库已已经经成成为为天天然然气气输输配配系系统统的的重重要要组组成成部部分分，是是季季节节安安全全调调峰峰，确确保保连连续续平平稳稳供供气气的的重重要工程。要工程。随随着着我我国国天天然然气气产产量量的的进进一一步步增增加加以以及及其其在在工工业业和和日日常常生生活活中中的的日日趋趋普普遍遍，完完善善天天然然气气管管网网、建建造造地地下下储储气气库库已已经经成成为为发发展展我我国国天天然然气气工工业业的的紧紧迫迫课课题题。对对地地下下储储气气库库技技术术进进行行研研究究正正是是基基于于此背景提出来的。此背景提出来的。2024/5/45第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.1 天然气地下储气库技术研究的意义天然气地下储气库技术研究的意义 我我国国上上世世纪纪9090年年代代开开始始了了大大规规模模的的天天然然气气管管网网建建设设工工程程：陕陕京京线线的的贯贯通通、西西气气东东输输管管道道工工程程的的实实施施，中中原原地地区区天天然然气气管管网网以以及及陕陕京京二二线线的的规规划划建建设设将将对对我我国国天天然然气气管管网网及及消消费费布布局局产产生生重重大大影影响响。为为了了解解决决我我国国华华东东地地区区、中中原原地地区区以以及及北北京京市市天天然然气气供供需需之之间间的的矛矛盾盾，这这些些管管网网工工程程都都配配套套规规划划了了天天然然气气地地下下储储气气库库工工程程。因因此此，对对地地下下储储气气库库技技术术进进行行研研究究具具有有非非常常重重要要的的现现实实意意义。义。2024/5/46第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.2 天然气地下储气库的作用天然气地下储气库的作用q 调节供气调节供气不均匀性不均匀性的最有效手段；的最有效手段；showq 提高供气的可靠性和连续性；提高供气的可靠性和连续性；q 提提高高管管线线利利用用系系数数和和输输气气效效率率，降降低低输输气气成成本和输气系统的投资费用；本和输气系统的投资费用；q 能能为为国国家家和和石石油油公公司司提提供供原原料料和和燃燃料料的的战战略略储备。储备。q 在在新新的的石石油油和和凝凝析析油油开开采采区区，能能保保存存暂暂时时不不可可利利用用的的石石油油气气；对对老老采采油油区区，有有助助于于提提高高原原油采收率。油采收率。2024/5/47第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.3 天然气地下储气库的类型天然气地下储气库的类型储气库主要有以下几类：储气库主要有以下几类：q 枯竭油气藏型（枯竭油气藏型（Depleted Reservoirs）q 地下含水层型（地下含水层型（Aquifers）q 盐穴型（盐穴型（Salt Caverns）q 煤矿矿井型（煤矿矿井型（Mines）q 溶洞型（溶洞型（Hard-Rock Caverns）2024/5/48第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述Figure 3Types of Underground Storage2024/5/49第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述Figure 4Development of a Salt Cavern for Natural Gas Storage 2024/5/410第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.4 天然气地下储气库建设现状天然气地下储气库建设现状 自自19151915年年加加拿拿大大利利用用枯枯竭竭气气藏藏建建成成世世界界上上第第一一个个地地下下储储气气库库以以来来，地地下下储储气气库库已已经经经经历历了了近近9090年年的的发发展展历历程程。目目前前全全世世界界地地下下储储气气库库的的总总容容量量已已经经超超过过5.0105.0101111m m3 3。美美国国、欧欧洲洲及及前前苏苏联联等等国国家家建建设设了了大大量量的的地地下下储储气气库库。单单美美国国从从上上世世纪纪9090年年代代到到现现在在就就新新建建了了近近5050坐坐地地下下储储气气库库，使使得得其其储储气气库库库库容容总总量量达达到到了了2.5102.5101111m m3 3的的规规模模。地地下下储储气气库库储储存存的的天天然然气气满满足足了了美美国国全全年年天天然然气气总总需求量的需求量的1/31/3。2024/5/411第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.4 天然气地下储气库建设现状天然气地下储气库建设现状 我我国国地地下下储储气气库库的的建建设设远远远远落落后后于于世世界界水水平平，目目前前建建成成的的只只有有两两座座：大大庆庆喇喇嘛嘛甸甸油油田田地地下下储储气气库库和和大大张张坨坨地地下下储储气气库库。大大庆庆喇喇嘛嘛甸甸油油田田地地下下储储气气库库的的主主要要作作用用是是平平衡衡大大庆庆油油田田内内部部用用气气的的季季节节不不均均衡衡性性，天天津津大大张张坨坨地地下下储储气气库库与与陕陕京京输输气气管管道道相相连连，以以平平衡衡北北京京市市季季节节性性用用气气不不均均衡衡性性和和保障安全平稳供气为主要目的。保障安全平稳供气为主要目的。我我国国目目前前正正在在规规划划的的储储气气库库包包括括西西气气东东输输配配套套工工程程金金坛坛盐盐穴穴储储气气库库、中中石石化化中中原原地地区区天天然然气地下储气库、大张坨三期工程气地下储气库、大张坨三期工程。2024/5/412第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.5 天然气地下储气库技术研究现状天然气地下储气库技术研究现状 一一个个工工程程的的好好坏坏关关键键在在于于设设计计。对对地地下下储储气气库库一一类类的的大大型型工工程程，优优化化的的思思想想必必须须贯贯穿穿于于项项目目实实施施的的整整个个过过程程。采采用用优优化化设设计计的的方方法法不不仅仅可可以以使使地地下下储储气气库库更更好好的的满满足足建建设设要要求求，而而且且也也可可以以有有效效降降低低工工程程投投资资及及运运行行管管理费用。理费用。地地下下储储气气库库技技术术涉涉及及地地质质、气气藏藏工工程程、采采气气、天天然然气气集集输输与与净净化化、天天然然气气管管道道输输送送和和城城市市配配气气方方面面的的相相关关理理论论知知识识，而而地地下下储储气气库库优优化化设设计计及及模模拟拟技技术术是是地地下下储储气气库库技技术术的的核核心心。在在国国外外，优优化化及及数数值值模模拟拟技技术术已已经经成成为地下储气库建设必不可少的手段。为地下储气库建设必不可少的手段。2024/5/413第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.5 天然气地下储气库技术研究现状天然气地下储气库技术研究现状 2020世世纪纪7070年年代代，国国外外开开始始应应用用数数值值模模拟拟来来研研究究地地下下储储气气库库从从建建造造到到注注采采动动态态运运行行的的整整个个过过程程，美美国国、德德国国、丹丹麦麦、意意大大利利等等国国家家根根据据不不同同类类型型储储气气库库和和不不同同流流动动过过程程、地地质质地地层层以以及及气气体体种种类类的的差差异异性性，提提出出了了相相应应的的数数学学模模型型，为为储储气气库库的的实实际际运运行行提提供供了了理理论论依依据据，以以达达到到经经济济高高效效地地控控制制地地下下储储气气库的目的。库的目的。2024/5/414第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.5 天然气地下储气库技术研究现状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储气库模拟基本数学模型q 三维气流模型三维气流模型 定容无水驱封闭型枯竭气藏。定容无水驱封闭型枯竭气藏。q 三维气水置换模型三维气水置换模型 带水驱的枯竭气藏储气库、地下含水层储气库。带水驱的枯竭气藏储气库、地下含水层储气库。q 三维气体混合模型三维气体混合模型 考考虑虑了了气气体体的的渗渗流流、注注入入气气与与垫垫底底气气之之间间的的混混合合、对对流流和和扩散等问题。扩散等问题。q 二维气油混合模型二维气油混合模型 枯竭油藏型，考虑气油两相流动和相互传质问题枯竭油藏型，考虑气油两相流动和相互传质问题2024/5/415第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.5 天然气地下储气库技术研究现状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。模型，从而带来较大的经济效益。2024/5/416第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.5 天然气地下储气库技术研究现状天然气地下储气库技术研究现状 大大庆庆喇喇嘛嘛甸甸油油田田地地下下储储气气库库从从19751975投投产产到到9090年年只只采采不不注注，因因此此没没有有进进行行优优化化及及数数值值模模拟拟方方面面的的研研究究。“八八五五”期期间间，华华北北油油田田对对北北京京地地区区建建设设天天然然气气地地下下储储气气库库的的可可行行性性进进行行了了研研究究，“九九五五”期期间间又又承承担担了了总总公公司司重重点点科科技技工工程程项项目目“天天然然气气地地下下储储气气库库注注采采技技术术研研究究”。研研究究成成果果对对储储气气库库工工程程的的建建设设具具有有一一定定的的指指导导意意义义。大大张张坨坨地地下下储储气气库库为为了了保保证证凝凝析析液液的的采采收收率率、估估计计油油环环和和边边水水以以及及凝凝析析液液对对储储气气库库的的影影响响，采采用用了了凝凝析析气气藏藏数数值值模模拟拟模模型型进进行行了模拟。了模拟。2024/5/417第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.6 存在的问题存在的问题q未形成完整的理论方法体系，没有制定相关的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国家和行业标准 我我国国科科技技人人员员对对储储气气库库技技术术的的研研究究目目前前还还处处在在对对国国外外资资料料的的消消化化吸吸收收的的层层面面。在在储储气气库库数数值值模模拟拟及及管管网网仿仿真真方方面面做做了了一一些些研研究究，对对根根据据下下游游用用户户工工况况来来确确定定储储气气库库库库容容特特别别是是对对多多个个城城市市和和大大区区域域供供气气系系统统调调峰峰储储气气量量如如何何计计算算没没有有具具体体的的方方法法可可循循，优优化化运运行行方方面面有有一一些些研研究究但但没没有有得得到到具具体体的的论论证证。没没有有一一本本完完整整介介绍绍地地下下储储气气库库综综合合技技术术的的资资料料，没没有有形形成成完完整整的的理理论论方方法法体体系系，没没有制定相关标准，设计显得比较无序。有制定相关标准，设计显得比较无序。2024/5/418第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.6 存在的问题存在的问题q经济及综合分析问题经济及综合分析问题 我我国国地地下下储储气气库库的的论论证证主主要要还还是是在在技技术术上上可可行行的的层层面面上上，提提出出几几种种方方案案中中部部分分方方案案由由于于在在技技术术上上不不可可行行就就否否定定掉掉了了。剩剩下下的的方方案案经经过过简简单单的的经经济济论论证证就就确确定定了了最最后后的的方方案案。这这种种做做法法有有可可能能会会遗遗漏漏最最优优的的方方案案。另另外外，地地下下储储气气库库的的影影响响因因素很多，应该权衡各方面的因素进行综合评价。素很多，应该权衡各方面的因素进行综合评价。2024/5/419第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.6 存在的问题存在的问题q地面工程对储气库建设的影响问题地面工程对储气库建设的影响问题 一一般般气气田田的的开开发发中中，输输气气系系统统的的建建设设服服从从于于气气田田开开发发方方案案的的要要求求和和限限制制，而而地地下下储储气气库库系系统统作作为为天天然然气气输输配配系系统统的的一一个个子子系系统统，其其建建设设应应服服从从于于输输配配系系统统建建设设的的要要求求，其其工工作作特特性性受受到到输输配配系系统统工工况况的的影影响响，其其也也反反过过来来影影响响输输配配系系统统的的工工况况。储储气气库库的的模模拟拟和和优优化化应应该该充充分分考考虑虑这这种种影影响响。因因此此，应应当当将将储储气气库库系系统统和和输输气气干干线线系系统统看看成成一一个整体加以分析。个整体加以分析。2024/5/420第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.7 发展趋势发展趋势1 1）用惰性气体代替天然气作储气库的垫层气用惰性气体代替天然气作储气库的垫层气 地地下下储储气气库库总总容容量量中中包包括括工工作作气气（活活动动气气）和和垫垫层层气气（残残余余气气）两两部部分分。垫垫层层气气的的主主要要作作用用是是使使储储气气库库在在一一次次抽抽气气末末期期保保持持一一定定的的压压力力、提提高高气气井井产产量量、抑抑制制地地层层水水流流动动等等。垫垫层层气气在在储储气气库库中中是是不不能能抽抽出出的的气气体体。迄迄今今为为止止在在建建库库时时都都采采用用注注入入天天然然气气作作垫垫层层气气，这这不不仅仅大大大大增增加加了了地地下下储储气气库库的的初初期期投投资资，还还沉沉积积了了大大量量的的“死死资资金金”。以以美美国国为为例例，19871987年年美美国国地地下下储储气气库库中中总总垫垫层层气气量量达达10801080亿亿m m3 3。按按天天然然气气矿矿场场平平均均每每$60/1000$60/1000m m3 3，当当年年垫层气长期沉积的资金达垫层气长期沉积的资金达6464亿美元。亿美元。2024/5/421第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.7 发展趋势发展趋势1 1）用惰性气体代替天然气作储气库的垫层气用惰性气体代替天然气作储气库的垫层气 因因此此，美美国国、前前苏苏联联等等一一些些地地下下储储气气库库比比较较发发达达的的国国家家，从从上上世世纪纪7070年年代代开开始始，就就如如何何减减少少储储气气库库中中的的垫垫层层气气量量、采采用用惰惰性性气气体体、氮氮气气、二二氧氧化化碳碳或或压压气气机机组组废废气气等等代代替替天天然然气气作作储储气气库库垫垫层层气气，开开展展了了广广泛泛而而大大量量的的研究工作，并取得了可喜的成绩。研究工作，并取得了可喜的成绩。减减少少地地下下储储气气库库中中垫垫层层气气量量，增增大大工工作作气气量量，用用惰惰性性气气体体作作垫垫层层气气，已已成成为为降降低低地地下下储储气气库库投投资资和和运运行行费费用的最主要的发展方向。用的最主要的发展方向。2024/5/422第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.7 发展趋势发展趋势2 2）实现地下储气库工艺设计统一化和标准化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。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：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、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。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。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。现技术方案的统一化、标准化提供了可能性。2024/5/423第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.7 发展趋势发展趋势2 2）实现地下储气库工艺设计统一化和标准化）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、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。度，缩短建库周朔，提高建库质量的重要措施之一。2024/5/424第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.7 发展趋势发展趋势3 3）建设生产效率高、可靠性好的气井）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。到圈闭层外，增大工作气体积等。2024/5/425第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.7 发展趋势发展趋势4 4）研制开发新的工艺和设备）研制开发新的工艺和设备 长长期期以以来来，地地下下储储气气库库地地面面气气体体处处理理方方法法与与气气田田气气体体处处理理方方法法没没有有什什么么区区别别。可可是是地地下下储储气气库库的的采采气气制制度度是是不不固固定定的的，其其工工艺艺指指标标昼昼夜夜间间会会发发生生很很大大变变化化，由由人人工工进进行行调调整整使使其其优优化化是是不不可可能能的的。为为了了降降低低劳劳动动强强度度，防防止止在在内内部部和和外外部部指指标标发发生生变变化化时时气气体体采采集集和和处处理理系系统统出出现现临临界界操操作作条条件件，需需研研究究开开发发工工艺艺过过程程的的自自动动控控制制系系统统。如如：研研制制出出口口压压力力波波动动范范围围大大的的新新式式压压缩缩机机组组；气气并并成成组组连连接接情情况况下下的的输输入入管管带带模模块块；气气流流方方向向调调节节模模块块；压压力力和和处处理理量量波波动动范范围围较较大大的的初初级级分分离离装装置置；在在小小流流量量条件下的再生装置等。条件下的再生装置等。2024/5/426第一章第一章 天然气地下储气库技术概述天然气地下储气库技术概述n1.7 发展趋势发展趋势 国国外外地地下下储储气气库库建建设设方方面面的的科科技技进进步步还还有有：采采用用模模块块化化施施工工技技术术，加加快快施施工工进进度度，降降低低劳劳动动强强度度。在在气气田田建建设设时时研研制制成成功功的的大大量量施施工工模模块块，其其中中一一部部分分无无需需进进行行大大的的修修改改，就就可可用用于于地地下下储储气气库库的的建建设设。研研究究各各种种地地下下储储气气库库生生产产过过程程集集约约化化的的理理论论基基础础，通通过过技技技技术术装装置置改改造，实现生产过程集约化，改善技术经济指标。造，实现生产过程集约化，改善技术经济指标。我我国国地地下下储储气气库库技技术术的的发发展展主主要要是是在在消消化化吸吸收收国国外外先先进进资资料料的的同同时时，总总结结我我国国地地下下储储气气库库建建设设的的经经验验，尽尽快制定我国的储气库建设相关标准。快制定我国的储气库建设相关标准。2024/5/427天然气地下储气库技术天然气地下储气库技术第二章第二章地下储气库选型及库址的选择地下储气库选型及库址的选择2024/5/4第二章第二章 地下储气库选型及库址的选择地下储气库选型及库址的选择n2.1 地下储气库的选型地下储气库的选型2.1.1枯竭气藏型枯竭气藏型 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。2024/5/429第二章第二章 地下储气库选型及库址的选择地下储气库选型及库址的选择2.1.2枯竭油藏型枯竭油藏型 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。2024/5/430第二章第二章 地下储气库选型及库址的选择地下储气库选型及库址的选择2.1.3地下含水层型地下含水层型 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。2024/5/431第二章第二章 地下储气库选型及库址的选择地下储气库选型及库址的选择2.1.3地下含水层型地下含水层型 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。2024/5/432第二章第二章 地下储气库选型及库址的选择地下储气库选型及库址的选择2.1.3地下含水层型地下含水层型 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。2024/5/433第二章第二章 地下储气库选型及库址的选择地下储气库选型及库址的选择2.1.4盐穴型盐穴型 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。2024/5/434第二章第二章 地下储气库选型及库址的选择地下储气库选型及库址的选择2.1.4盐穴型盐穴型 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。2024/5/435第二章第二章 地下储气库选型及库址的选择地下储气库选型及库址的选择2.1.4煤矿矿井型煤矿矿井型 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。2024/5/436第二章第二章 地下储气库选型及库址的选择地下储气库选型及库址的选择n2.2 地下储气库库址的选择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。2024/5/437第二章第二章 地下储气库选型及库址的选择地下储气库选型及库址的选择n2.2 地下储气库库址的选择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。2024/5/438天然气地下储气库技术天然气地下储气库技术第三章第三章地下储气库库容量的确定地下储气库库容量的确定2024/5/4第三章第三章 地下储气库库容量的确定地下储气库库容量的确定n3.1 地下储气库有效库容的组成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？2024/5/440第三章第三章 地下储气库库容量的确定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。2024/5/441第三章第三章 地下储气库库容量的确定地下储气库库容量的确定n3.2 季节性调峰储气量季节性调峰储气量 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。2024/5/442第三章第三章 地下储气库库容量的确定地下储气库库容量的确定n3.2.1 城市燃气用户城市燃气用户（1）特特点点：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）不不均均匀匀系系数数的的确确定定：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。2024/5/443第三章第三章 地下储气库库容量的确定地下储气库库容量的确定n3.2.2 天然气发电用户天然气发电用户 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。2024/5/444第三章第三章 地下储气库库容量的确定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）。1234567891011121.31.31.31.01.00.630.630.630.631.01.31.31234567891011121.331.331.01.00.670.671.331.330.670.671.01.02024/5/445第三章第三章 地下储气库库容量的确定地下储气库库容量的确定n3.2.3 化工及工业燃料用户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。2024/5/446第三章第三章 地下储气库库容量的确定地下储气库库容量的确定n3.2.5 调峰储气量调峰储气量 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。2024/5/447第三章第三章 地下储气库库容量的确定地下储气库库容量的确定n3.3 系统事故应急气量系统事故应急气量 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。2024/5/448第三章第三章 地下储气库库容量的确定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。2024/5/449第三章第三章 地下储气库库容量的确定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。2024/5/450第三章第三章 地下储气库库容量的确定地下储气库库容量的确定n3.4 管道事故工况分析管道事故工况分析 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。n 3.4.1管道事故率管道事故率 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。2024/5/451第三章第三章 地下储气库库容量的确定地下储气库库容量的确定n 3.4.2 管道事故持续时间管道事故持续时间 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2024/5/452第三章第三章 地下储气库库容量的确定地下储气库库容量的确定n 3.4.2 管道事故持续时间管道事故持续时间 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。2024/5/453第三章第三章 地下储气库库容量的确定地下储气库库容量的确定n 3.4.3 管道事故延滞气量管道事故延滞气量 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。n3.4.4管道事故应急气量分析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。2024/5/454第三章第三章 地下储气库库容量的确定地下储气库库容量的确定n 3.5 储气库库容的确定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。2024/5/455第三章第三章 地下储气库库容量的确定地下储气库库容量的确定n 3.5 储气库库容的确定储气库库容的确定 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%。2024/5/456第三章第三章 地下储气库库容量的确定地下储气库库容量的确定n 3.5 储储气气库库库库容容的的确确定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2024/5/457天然气地下储气库技术天然气地下储气库技术第四章第四章地下储气库注采动态数值模拟地下储气库注采动态数值模拟2024/5/4第四章第四章 地下储气库注采动态数值模拟地下储气库注采动态数值模拟n 4.1 储气库注采动态数值模拟的目的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。2024/5/459第四章第四章 地下储气库注采动态数值模拟地下储气库注采动态数值模拟n 4.2 数学模型的建立数学模型的建立n4.2.1 假设条件假设条件 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。2024/5/460第四章第四章 地下储气库注采动态数值模拟地下储气库注采动态数值模拟n4.3.2 约束条件约束条件 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：2024/5/461第四章第四章 地下储气库注采动态数值模拟地下储气库注采动态数值模拟n4.3.3 数学模型数学模型 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。2024/5/462第四章第四章 地下储气库注采动态数值模拟地下储气库注采动态数值模拟n4.3.4 定解条件定解条件 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：2024/5/463第四章第四章 地下储气库注采动态数值模拟地下储气库注采动态数值模拟n4.4 模型的求解模型的求解n4.4.1 计算方法和步骤计算方法和步骤 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。2024/5/464第四章第四章 地下储气库注采动态数值模拟地下储气库注采动态数值模拟n4.4 模型的求解模型的求解n4.4.1 差分数值模型差分数值模型 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。2024/5/465第四章第四章 地下储气库注采动态数值模拟地下储气库注采动态数值模拟n4.5 储气库影响因素分析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。2024/5/466第四章第四章 地下储气库注采动态数值模拟地下储气库注采动态数值模拟n4.5 储气库影响因素分析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2024/5/467第四章第四章 地下储气库注采动态数值模拟地下储气库注采动态数值模拟n4.5 储储气气库库影影响响因因素素分析分析（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。2024/5/468第四章第四章 地下储气库注采动态数值模拟地下储气库注采动态数值模拟n4.5 储气库影响因素分析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