基于腔体稳定性的盐岩储气库注采方案优化研究_周军.pdf

第30卷第1期0引言近年来，我国天然气产量逐年增长1。在天然气的供应与消费之间，一直存在着供气安全平稳与消费非基于腔体稳定性的盐岩储气库注采方案优化研究周军1，胡承强1，彭井宏1，梁光川1，黄薪宇2，马俊杰1，王涛1（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都610500；2.中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院，四川 成都610500）基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目“离散/网络空间中油气管网设计优化方法和体系结构研究”（51704253）摘要在盐岩储气库运行过程中，注采方案对于整个腔体的稳定性具有很大的影响。若采用不合理的注采方案，腔体围岩会发生拉张、膨胀损伤，长此以往会导致腔体收缩率增加，库容减小，甚至使整个储气库失效。为保障储气库的运行稳定性，文中建立了以腔体总温升最小为目标的注气优化模型和以腔体总压降最小为目标的采气优化模型。模型以单井日注/采气量作为决策变量，并涉及日注/采气总量、腔体最高/最低运行压力及单井注/采气能力等约束条件，将所建立的优化模型应用于某埋藏深度为1 000 m的盐岩储气库，并采用通用数学建模系统GAMS进行求解。优化结果表明，优化注气方案比均匀注气方案的腔体总温升低2.84 K，降低了31.6%；优化采气方案比均匀采气方案的腔体总压降低0.553 MPa，降低了12.7%。由此可以看出，优化注采方案有效地控制了运行过程中腔体的温度和压力变化程度，进一步提高了盐岩储气库的运行稳定性。关键词盐岩储气库；注采优化；腔体损伤；稳定性中图分类号：TE822文献标志码：A收稿日期：20220610；改回日期：20221115。第一作者：周军，男，1987年生，副教授，博士，2010年毕业于中国石油大学（北京）油气储运工程专业，现从事天然气管网和地下储气库的优化研究工作。E-mail：。引用格式：周军，胡承强，彭井宏，等.基于腔体稳定性的盐岩储气库注采方案优化研究J.断块油气田，2023，30（1）：161167.ZHOU Jun，HU Chengqiang，PENG Jinghong，et al.Optimization of injection and production scheme of salt gas storage based on cavity stabilityJ.Fault-Block Oil&Gas Field，2023，30（1）：161167.Optimization of injection and production scheme of salt gas storage based on cavitystabilityZHOU Jun1,HU Chengqiang1,PENG Jinghong1,LIANG Guangchuan1,HUANG Xinyu2,MA Junjie1,WANG Tao1(1.Petroleum Engineering School,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.Safety,Environmental Protection andTechnology Supervision Institute,Southwest Oil and Gas Field Company,PetroChina,Chengdu 610500,China)Abstract:Duringtheoperationofsaltgasstorage,theinjectionandproductionschemehasagreatinfluenceonthestabilityofthe wholecavity.Ifanunreasonableinjectionandproductionschemeisadopted,the surrounding rockofthe cavity willbe damagedby tensionandexpansion,whichinthelongrunwillleadtotheincreaseoftheshrinkagerateofthecavity,thereductionofthestoragecapacity,andeventhe failure of the whole gas storage.In order to ensure the operational stability of the gas storage,the optimization model of gas injectionwiththe goalofminimizing the totaltemperature rise ofthe cavity andthe optimization modelofgas recovery with the goalofminimizingthe totalpressure dropofthe cavity are established.The modeltakesthe daily gasinjectionandproductionvolume ofasingle wellas thedecision variable,and involves the constraints such as the total daily gas injection and production volume,the maximum and minimumoperatingpressureofthecavityandthegasinjectionandproductioncapacityofasinglewell.Theoptimizedmodelisappliedtoasaltgasstoragewithaburialdepthof1,000m,andthegeneralmathematicalmodelingsystemGAMSisusedtosolvetheproblem.Theoptimizationresults show that the total cavity temperature rise of the optimized gas injection scheme is 2.84 K lower than that of the uniform gasinjectionscheme,whichisreducedby31.6%.Comparedwiththe uniformgasrecovery scheme,the totalcavity pressure ofthe optimizedgasrecoveryschemeisreducedby0.553MPaand12.7%.Itcanbeseenthattheoptimizedinjectionandproductionschemecaneffectivelycontrol the temperature and pressure variation of the cavity during operation,and further improve the operational stability of salt gasstorage.Key words:salt gas storage;injection and production optimization;cavity damage;stability断块油气田FAULT-BLOCK OIL GAS FIELDdoi:10.6056/dkyqt2023010232023年1月断块油气田2023年1月均衡性的固有矛盾。解决这一矛盾的主要措施是实施天然气储备。储气库具有库容大、安全性好、调峰能力强等优点，已逐渐成为世界天然气的主要储存方式2。根据国家发改委及国家能源局联合印发的发改能源规划2018637号关于加快储气设施建设和完善储气调峰辅助服务市场机制的意见，供气企业要拥有不低于年合同销售量10%的储气能力，城镇燃气企业形成不低于年用气量5%的储气能力，地方政府的日均储气能力（约1%）至少达到可供用户使用72 h的应急需求量。这就要求我国加快能源储备设施建设，完善油气储备体系3。储气库可以分为枯竭油气藏储气库、含水层储气库、盐岩储气库以及废弃矿坑储气库。其中，盐岩具有渗透性低、结构致密和良好蠕变行为等特性，具有较为稳定的力学性能（损伤与损伤自我恢复），能适应储存压力的变化，保证储存洞/库的密闭性。国际上公认盐岩体是能源（石油、天然气）储存的最理想的介质48。盐岩储气库主要形成于地层沉积的盐丘或盐岩层中，我国境内虽含盐盆地多，岩盐资源丰富且分布范围广，但盐矿普遍表现为层状，具有矿层多、单层薄、夹层多、夹层厚、埋层过浅、埋藏过深等特点，盐岩储气库自然形成的几率很低。基于盐岩极易溶于水这一特性，结合水溶采矿原理，以人工制溶盐的方式采出卤水，从而形成储存天然气的地下设施。但地下盐岩形状各异，水溶建腔形成的盐岩储气库结构众多，表现为不同夹层数量及厚度，以及椭球形、鸡蛋形等不同形状9。此外，盐岩储气库还具有调峰效率高、短期吞吐量大、垫底气含量低且可完全回收等优点，不仅可以应对和满足日、月、季度的调峰需求，也有助于生产系统和输气管网的优化与运行1012。我国主要天然气管道沿线均发现盐矿，如西气东输沿线的河南平顶山盐矿、湖南湘衡盐矿，陕京管网沿线的河北辛集宁晋盐矿、陕北盐田，中缅天然气管道沿线的云南安宁盐矿，川渝外输沿线的四川威西盐矿13等。可见，我国具有建造盐岩储气库的天然条件。盐岩储气库在建造过程中，会考虑同时建造多个盐岩腔体以满足调峰和储气需求。在盐岩储气库优化方面，许多学者开展了相关研究，如基于屈服接近度的盐岩储气库多因素优化14、深部储气库群盐层蠕变参数优化15、变形稳定理论在盐岩储气库优化设计中的应用16、盐岩储气库注气排卤工艺参数的数值模拟17等。但这些研究大多关注盐岩储气库设计的可靠性及运行的经济性，极少考虑运行的腔体稳定性。因此，开展基于盐岩储气库腔体稳定性的盐岩储气库注采优化研究是非常有必要的。注采的不稳定性会影响整个盐岩储气库的安全运行，主要表现在不合理的注气速率导致腔体围岩出现损伤、腔体内的温度和压力因采气量变化而产生的腔体拉张及膨胀损伤、腔体的过度收敛。为保障盐岩储气库长期安全稳定运行，本文针对以腔体总温升最小为目标的注气过程和以腔体总压降最小为目标的采气过程，建立注采优化模型，结合GAMS建模系统和CONOPT求解器，对某盐岩储气库的注采方案进行了优化求解和分析探讨，最后利用FLAC 3D模拟软件进行了优化结果验证。1数学模型储气库的主要功能是调节用户用气的不均匀性，平衡天然气供需方之间的用气矛盾。盐岩储气库的注采过程如图1所示。盐岩储气库注采运行过程中，涉及到合理决策不同腔体的单日注/采气量，需确定注气优化模型和采气优化模型的目标函数、约束条件和决策变量。图1盐岩储气库注采过程示意Fig.1Schematic diagram during gas injection and production in salt gasstorage盐岩储气库大多都采用“单腔单井”建设模式，将地下腔体看作一个系统，所有质量和能量的进出均是发生在井筒与腔体的连接处。盐岩储气库在运行过程中涉及的参数众多，若全面考虑这些参数，则建立的模型会非常复杂，故对盐岩储气库的部分参数和运行状态进行简化，基本假设如下：该盐岩储气库不是新建投产的，不考虑在水溶造腔的过程中围岩形成的“冷带”；腔内流体全为天然气，忽略腔体底部的盐水；腔内的天然气温度、压力分布均匀；气体在井筒内流动的过程视为一维稳定流动。1.1注气优化模型1.1.1目标函数注气过程中，腔内的温度和压力随着注气量的增162第30卷第1期加而增加。温度的增加会导致腔体的库容量减小，并且可能会导致腔体围岩的损伤产生，影响腔体的稳定性。因此，为保障储气库长期安全