盐穴储气库造腔管理分析系统设计与应用

2016-09-14李淑平刘继芹齐得山陈加松敖海兵王成林

石油化工应用 2016年8期

关键词：盐穴储气库腔体

李淑平，刘继芹，齐得山，陈加松，敖海兵，王成林

（中国石油西气东输管道公司储气库管理处，江苏镇江　212050）

盐穴储气库造腔管理分析系统设计与应用

李淑平，刘继芹，齐得山，陈加松，敖海兵，王成林

（中国石油西气东输管道公司储气库管理处，江苏镇江212050）

在盐穴储气库建设过程中，由于经验不足，在管理和效率方面存在较多问题。为了提高盐穴储气库建库的工作效率和管理水平，自主设计和开发了盐穴储气库造腔管理分析系统。该系统利用关系数据库组织和维护造腔生产数据，设计和实现造腔分析、声纳分析、注采运行以及系统管理等功能模块，实现造腔进度快速计算和监控、油垫压力监测以及造腔参数优化等许多科学实用的功能，大大降低了人工计算量，确保造腔设计和进度监测的准确性，有效地提高了管理水平，具有非常好的推广价值。

盐穴储气库；造腔分析；造腔优化；油垫压力监测

金坛盐穴储气库，是中国盐穴储气第一库。在建库之初，面对中国特有地质特点和国情，由于经验不足，在造腔管理和效率方面遇到了较多问题。概括来讲，主要包括三个方面的问题。首先，随着建库任务的推进，生产数据日趋庞杂，对生产数据的整理分析变成一项繁琐的任务。不仅数据的筛选困难，为了获取某项造腔参数，还需要大量的手工计算，计算效率和准确率都难以保证。其次，造腔异常和井下故障难以发现，没有科学有效的检测手段，仅能依靠现场检查和井下作业，成本高。另外，库区多井同时造腔方案，没有科学的优化方法，导致淡水供应和卤水外输不均衡的矛盾突出，协调困难，导致库区造腔高能耗、低效率的问题严重。因此，急需一套用于盐穴储气库造腔管理和分析的软件。

1　系统架构

盐穴储气库造腔管理分析系统（简称GSDMAS）采用客户端/服务器模式（C/S模式）。服务器端采用SQL SERVER数据库。根据造腔过程中涉及的诸多因素和实际需求，对数据库关系模式［1］进行设计，规范数据存储规则，降低数据冗余。客户端采用模块化设计，根据生产需要和问题，设计多个功能模块，并且随着新的生产问题不断发现，新的功能模块也随之增加，使系统功能不断丰富和完善。

综合需求分析，该系统架构设计图（见图1）。

为了快速开发，客户端选择基于.net平台开发，采用C#语言编写，要求编码规范，注释详细。模块功能必须经过全面的测试。

2　模块功能

GSDMAS系统客户端设计开发6大功能模块，包括盐穴地图、造腔设计、造腔分析、声纳分析、注采运行以及系统管理。

2.1盐穴地图

该模块主要功能是基于各个井位的大地坐标，展示库区各井相对位置以及各个腔体当前横截面形状。

2.2造腔分析

该模块包含众多子模块，功能丰富，是GSDMAS的核心模块。该模块包含的子模块主要有：造腔监控模块，用于监控各个腔体的阶段进度和工程进度，也具有数据统计功能；数据选择模块，也即数据查询模块，用于查询和编辑各个腔体详细的生产数据；报告生成模块，用于从数据库中导出各个腔体的综合月报和日报数据；声纳测量计划模块，可优化安排各个腔体的声纳测量计划；图表分析模块，是造腔分析模块的核心模块，功能包括排卤浓度监测、地面地下声纳三体积、排量压力对比、油垫压力监测、注入量监测以及造腔效率监控等。

图1　盐穴储气库造腔管理分析系统架构

2.3造腔设计

它是造腔设计的辅助模块，可以生成岩性表和批量生成造腔阶段数据等，可供造腔模拟软件使用。

2.4声纳分析

用于声纳数据分析，可展示二维和三维腔体形状。即可展示腔体某个阶段的二维形状，也可以展示多个阶段叠加的二维形状，为腔体偏溶分析和造腔设计提供参考。

2.5注采运行

负责储气库注采运行监控和注采数据查询。注采运行监测内容包括腔体压力状态、运行气量和库容以及最近30 d压力波动等。

2.6系统管理

主要用于生产数据维护、用户管理、系统公告发布以及系统日志等。其中，生产数据维护包括单井信息维护、日报数据更新、声纳数据维护、溶腔阶段维护以及注采气数据更新等子模块。用户管理模块可以添加删除系统用户、设置用户权限以及编辑用户信息等功能。

3　技术创新

在GSDMAS系统的开发过程中，通过技术创新解决了3大技术难题，包括排卤浓度监测、油垫压力监测以及造腔参数优化。

3.1排卤浓度监测

在水溶造腔过程中，通过生产日报采集各个腔体的排卤浓度，利用每日排卤浓度数据绘制排卤浓度曲线。由于缺少参考依据，通过排卤浓度曲线，仅能看到排卤浓度波动情况，无法监测造腔过程是否存在异常。

为了解决该问题，自主设计开发了造腔模拟器［2］。利用造腔模拟器，就可以为每个腔体的每日排卤浓度提供一个理论值，利用排卤浓度的理论值绘制一条与实际排卤浓度同步的理论排卤浓度曲线，通过对比两条曲线的差异便可以及时发现潜在的造腔异常。GSDMAS内置的造腔模拟器采用的网格模型（见图2）。

图2　造腔模拟网格图解

网格浓度变化方程：

式中：C-网格浓度，g/L；ms-溶盐速率；u-流速，m/s；D-扩散常数，m2/s；h-网格高度，m。

3.2溶腔参数优化

金坛盐穴储气库东注水站水溶建腔过程（见图3）。在实际水溶造腔的生产中，还需要考虑为每口井配置注入量、循环模式、注入工质类型等。由于淡水供应来自盐化，并且盐化的淡水供应量有限，同时，盐化要求东注水站外输与淡水供应量等量的饱和卤水。因此，在安排造腔进度时，淡水注入总量、外输卤水总量以及盐化淡水供应量三者要趋近等量（本文以小时为单位计算）。与此同时，外输卤水的混合浓度也要满足盐化要求。另外，为了保持卤水缓冲罐的存量，所有井的回罐总量与注淡卤水总量也要保持平衡。

图3　金坛储气库水溶造腔示意图

综上所述，需要协调以下3个条件约束来实现溶腔参数最优化。

（1）淡水消耗量与供应量平衡；（2）回罐量与注淡卤水量平衡；（3）外输混合浓度达标。

在满足第（3）个约束的情况下，淡水消耗量与外输量也会达到平衡。

考虑上述问题和约束，采用非线性规划理论［3］，建立该问题的数学模型，如下。

式中：N-注水站注水口数量；Xi1-第i个注水口的循环模式；Xi2-第i个注水口的注入量，m3/h；Xi3-第i个注水口的注入工质浓度，g/L；Xi4，Xi5-第i个注水口的内、外管深度，m；Xi6-第i个注水口的排出卤水去向；ci-第i个注水口的排卤浓度，g/L，ci=C（Xi），Xi是一维向量；pi-第i个注水口的排量，m3/h，pi=P（Xi），Xi是一维向量；W-盐化供应淡水量限值，常量，m3/h；S-外输到盐化的最低浓度限值，常量，g/L；U-注入的淡卤水浓度，常量，g/L。

对于以上溶腔参数优化数学模型的求解，常见的思路是采用罚函数法［4］将问题转化为无约束［5］的最优化问题，采用直接法对其求解，进而得到最优的溶腔参数。

3.3油垫压力监测

油垫压力监测遇到的问题与排卤浓度监测类似，需要为实际油垫压力曲线匹配一条理论油垫压力曲线作为判断依据。创新性地将水动力学管流理论与盐岩蠕变理论相结合，准确计算油垫压力。相关理论比较成熟，本文不再赘述。

4　现场应用

从2010年开始至今，主要应用于金坛盐穴储气库。借助GSDMAS，生产数据的管理和维护更加规范，数据整理更加简单高效，显著提高管理水平；利用系统的功能模块，使得造腔跟踪分析一键即可完成，准确快速，避免手工计算，降低劳动强度；通过数据分析诊断造腔故障，降低现场作业量，节约成本；利用造腔优化模块，实现多井造腔排量得以优化，可以更好的协调淡水注入量与卤水外输量的矛盾，更好的控制能耗和造腔效率。

GSDMAS系统的辅助功能模块也非常实用。利用其进度跟踪及声纳计划功能，优化井下作业和声纳检测，降低施工成本；利用其用户权限管理，将库区各个造腔任务具体到人，责任到人，既有利于提高工作效率，也有利于规范管理，确保生产任务保质保量地完成。

GSDMAS的应用取得了非常好的经济效益和社会效益，有效地保障了金坛库区造腔任务的顺利推进。截至目前，金坛库区已经顺利完成造腔683.5×104m3，完腔14口井，有效库容达5×108m3。