储气库地面工艺技术.ppt

《储气库地面工艺技术.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《储气库地面工艺技术.ppt（47页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、天然气地下储气库技术 储气库地面工艺技术 * 第六章 储气库地面工艺技术 n6.1 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。 Date 2 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

2、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。 Date 3 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

3、期工程预留场 地；在流程设计中，要考虑前后的衔接和统一。 Date 4 第六章 储气库地面工艺技术 n6.2 储气库地面工艺设计参数 n6.2.1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。 Date 5 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

4、静压头， 当有5m以上厚度的粘土盖层时，可取压头的1.31.5 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。 Date 6 第六章 储气库地面工艺技术 n6.2.2 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

5、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。 Date 7 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

6、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。 Date 8 第六章 储气库地面工艺技术 n6.2.3 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

7、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。 Date 9 第六章 储气库地面工艺技术 n6.3 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。 n6.3.1 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

8、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。 Date 10 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。 Date 11 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

9、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。 Date 12 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

10、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。 Date 13 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。

11、 Date 14 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。 Date 15 第六章 储气库地面工艺技术 典型的第二类井口工艺

12、流程 （文96地下储气库） Date 16 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 Date 17 第六章 储气库地面工艺技术 n6.3.2 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

13、输气干线的管压注气 压缩机增压注气流程管压注气流程 Date 18 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

14、，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。 Date 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

15、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。 Date 20 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

16、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。 Date 21 第六章 储气库地面工艺技术 n6.3.3 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，

17、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。 Date 22 第六章 储气库地面工艺技术 n6.3.3 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

18、，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 Date 23 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

19、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。 Date 24 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 Date 25 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

20、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。 Date 26 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

21、。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 Date 27 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

22、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 Date 28 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 。 q连续性方程： 第七章 储气库系统仿真与优化运行 Date 29 q运动方程： q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 Date 30 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

23、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 Date 31 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 Date 32 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（x0时的y值），希

24、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 Date 33 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

25、 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 Date 34 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

26、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 Date 35 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 Dat

27、e 36 q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 Date 37 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

28、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 Date 38 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 Date 39 7.2.3 模型的求解 储气库夏季和冬季优化目标函数和

29、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 Date 40 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

30、律，因此所得到的配产方案比 传统的静态配产方案更准确合理。另外，优化运行最 佳配产可以避免均产时地层压力上升和下降过快所造 成的气藏局部地层压力超过地层最大允许压力（注气 时）或低于最低地层允许压力（采气时），从而更有 利于获得气藏最大的储气潜能。 第七章 储气库系统仿真与优化运行 Date 41 天然气地下储气库技术 第八章 相关建议 * （1）我国地下储气库的建设才刚刚起步， 地下储气库有关的理论研究不多，为了适应我 国天然气应用发展的需要，对地下储气库的理 论研究应该引起足够的重视。 （2）在地下储气库项目的建设中应树立优 化设计的思想，尽快制定储气库优化设计的国 家和行业标准，从而使我

31、国储气库的设计达到 国际先进水平。 第八章 相关建议 Date 43 q（3）储气库系统的运行优化对降低储气 库系统的运行费用、维持储气库系统的安全以 及充分发挥储气库的调峰潜能具有十分重要的 意义。应该加强对储气库系统优化运行理论和 方法的研究，并尽快把研究成果应用到储气库 的实际操作管理中去。 第八章 相关建议 Date 44 （5）组织相关人员联合攻关,研究和开发地 下储气库设计、优化运行计算方法和配套软件。 包括地下储气库在内的天然气储配系统在流体力 学上是一个复杂的综合系统，储气库本身的地上 、地下的各参数之间也存在着相互联系，相互制 约。因此需要有一套科学的设计、优化计算方法 ，才

32、能优选设计参数，做到整个输配系统的总投 资和总消耗相对最低。 第八章 相关建议 Date 45 （6）储气库系统作为天然气系统的一个 子系统，其设计和运行都应该放在整个系统中 加以考虑，加强设计中的协调与合作。强调储 气库工程与天然气储配大系统的紧密结合，加 强储气库工程地上和地下的一体化的分析。 第八章 相关建议 Date 46 （7）抓紧对我国城市天然气储配系统的研究和 规划工作。根据我国天然气应用发展及管网建设的 规划，尽快对我国区域性、战略性地下储气库的建 设进行规划，并最终形成区域性或全国性的天然气 输送和调度系统，从而增加储气库调峰的可靠性和 安全性。为此对于我国城市天然气储配系统的发展 ，应及早作出科学预测和可行性研究，在此基础上 及时勘察和发现所需要的储气构造，规划所需地下 储气库的容量和布局。 第八章 相关建议 Date 47