气藏型地下储气库的库存量曲线特征与达容规律
王东旭1, 马小明2, 伍勇1, 张顺慈3, 张建国1, 马东山4, 游良容1, 杨艳2, 马东博5
1.中国石油长庆油田公司勘探开发研究院
2.中国石油大港油田公司勘探开发研究院
3.中国石油西南油气田公司华油凯源北新分公司
4.中国石油天然气管道工程有限公司天津分公司
5.中国石油大港油田公司第四采油厂

作者简介:王东旭,1970年生,高级工程师;主要从事低渗透致密气藏开发和储气库建设的科研和管理工作。地址:(710018)陕西省西安市未央区长庆兴隆园小区中国石油长庆油田公司勘探开发研究院。电话:(029)86592680。E-mail:wdx2@petrochina.com.cn

摘要

中国石油天然气集团公司2010年启动的第二批地下储气库正在陆续建成投产,地下储气库开始进入达容阶段,需要提前了解和掌握地下储气库库容量的达容规律和达容特征。为此,论述了气库达容物质平衡原理、气库达容库存量曲线特征和气库达容的普遍性规律,以气藏物质平衡理论为基础,阐述了地下储气库的库容参数与压力的对应逻辑关系,建立了库容量计算方程,定义了库容参数,以国内第一批地下储气库即大港储气库群的扩容达容生产实践为依据,建立了地下储气库逐步扩容达容的库存量曲线的基本模式,从技术上论述了库存量曲线的物理意义、曲线特征、关键点参数,并介绍了应用地下储气库生产动态资料绘制库存量曲线的方法,以气库物质平衡理论结合地下储气库扩容达容的库存量曲线特征,系统总结了地下储气库由开始扩容到多周期达容的普遍规律,为指导和掌握地下储气库的扩容达容规律提供了理论知识与技术方法。

关键词: 地下储气库; 大港储气库群; 气藏型地下储气库; 库容量; 库存量曲线; 达容规律; 物质平衡原理
Curve characteristics and rules of the storage capacity establishment of a reservoir-type underground gas storage (UGS)
Wang Dongxu1, Ma Xiaoming2, Wu Yong1, Zhang Shunci3, Zhang Jianguo1, Ma Dongshan4, You Liangrong1, Yang Yan2, Ma Dongbo5
1.Research Institute of Exploration and Development, Changqing Oilfield Company, PetroChina, Xi'an, Shaanxi 710018, China
2.Petroleum Exploration & Development Research Institute, Dagang Oilfield Company, PetroChina, Tianjin 200011, China
3.Huayou Kaiyuan Beixin New Branch of Southwest Oil & Gasfield Company, PetroChina, Chengdu, Sichuan 610000, China
4.Tianjin Branch of China Petroleum and Natural Gas Pipeline Engineering, Tianjin 200011, China
5.No. 4 Oil Production Plant of Dagang Oilfield Company, PetroChina, Tianjin 200011, China
Abstract

Along with the completion and successively being put into production of CNPC’s second batch of underground gas storage (UGS) tanks initiated in 2010, the follow-up evaluation and expansion of the storage capacity reaching the design reference has become a realistic issue. Therefore, we need a better understanding of the corresponding rules and characteristics. First, we explained the involved mass balance principle, curve features, and general rules. On this basis, we discussed the logic relationship between the storage capacity parameters and pressures, then built the calculation formula of storage capacity and defined the relevant parameters. Taking the Tianjin Dagang UGS group (the first batch of UGS tanks) as an example, we established the basic mode of storage capacity curves reflecting the expansion and reaching the design reference and discussed from the technical perspective the physical meaning of curves, curve characteristics and key parameters. In addition, we also introduced a method of drawing the storage capacity curves by use of the dynamic performance data of UGS and summarized the general rules of UGS from the beginning of the expansion to multi-cycle of the capacity establishment. This study provides theoretical knowledge and technical support for the UGS storage capacity expansion and establishment.

Keyword: UGS; Storage capacity; Dagang UGS group; Inventory curve; Rules on the capacity establishment; Mass balance principle

中国第一批地下储气库建设始于2008年的大港地下储气库群建设, 中国石油天然气集团公司到2010年又开始组织进行了第二批地下储气库的选址、方案设计与建设实施工作, 目前相关地下储气库已陆续进入投产期。此阶段地下储气库库容量的扩充与分析, 成为地下储气库建设与管理的重要内容。目前大港地下储气库群经过10余年的生产运行, 积累了丰富的生产动态资料, 为地下储气库库容变化规律研究奠定了坚实的基础, 其研究结果不仅对大港地下储气库群的扩容优化具有指导意义, 而且对国内其他地下储气库的扩容优化具有借鉴意义。

1 地下储气库库容量研究的理论基础

气藏型地下储气库是利用气藏地质构造改建的地下储气库, 有时形象化比喻为人造气藏, 具有独立的地下储气空间, 其所能储集的天然气标准体积量即为库容量。由于地下储气库类似于气藏。因此, 地下储气库内流体的热力学特征、渗流力学特征与气藏相近, 地下储气库库容量的评价原理与计算方法与气藏储量计算相似, 通常包括静态法(容积法)、动态法(物质平衡法)和数值模拟方法。这3种计算方法在理论上都是可行的, 在实际计算中通常因使用资料的误差而造成不同的计算结果误差。由于物质平衡法不需要依赖复杂的地质静态资料, 仅凭借已开发气藏丰富的动态资料就可以研究气藏连通体容量与压力的关系, 更接近地下储气库的实际状况, 而且该方法具有原理简单、物理意义明确、运算容易、便于掌握等优点。因此常选用此方法来计算地下储气库的库容量。

气藏物质平衡法来源于物质守恒原理, 将一个气藏简化为封闭的储存气体的地下容器, 容器内的流体在开采过程中其物质和体积变化服从质量守恒原理, 依此原理所建立的数学方程称为物质平衡方程[1]

2 地下储气库库容量研究的基本模式

以定容气藏的物质平衡方程式计算地下储气库的库容量为例, 其物质平衡方程式的基本表达式为:

Gk=Gp(pi/Zi)/[(pi/Zi)-(p/Z)](1)

p/Z=(pi/Zi)(1-Gp/Gk)(2)

由式(1)、(2)可以看出, 地下储气库累计采出量(Gp)的改变将引起地层压力(p)的相应变化。因此, 可以据某地下储气库的库容量值确定对应的地层压力值, 反之, 也可以据某一压力值及相关参数计算相应的阶段气体采出量即地下储气库的库容量[2]。地下储气库库容设计或库容分析的理论依据即物质平衡方程式[3]。相关概念为:①极限库容量, 地下储气库压力达到地层破裂压力时的库容量; ②原始库容量, 地下储气库压力等于原始地层压力时的库容量; ③最大库容量, 地下储气库压力等于上限地层压力时的库容量; ④基础垫气量, 气藏(地下储气库)废弃时残留的气体存量; ⑤附加垫气量, 地下储气库由废弃压力升高到下限压力时需要增加的气量; ⑥工作气量, 地下储气库单独1个采气期的总采气量; ⑦地下储气库运行压力区间, 地下储气库运行高压与低压的压力变化区间; ⑧补充垫气量, 地下储气库由建库时压力升高到下限压力需要增加的气量。库容量与压力对应逻辑关系模式见图1。地下储气库在生产运行阶段经常使用的参数包括:库容量(最大库容量)、工作气量、上限压力、下限压力。

图1 地下储气库压力与库容量关系模式图

3 地下储气库库存量曲线的绘制方法

在方案设计和理论阐述方面, 将地下储气库可储存气体的容积称为“ 库容量” 比较科学[4]。而在地下储气库投入实际生产阶段, 为了直观表现生产阶段的特点, 将现场实际注气量与采气量的差额直接理解为存入地下储气库的“ 库存量” 比较容易理解, 因此, 将现场应用每个生产周期注采气量与地下储气库压力绘制的曲线图称“ XXX地下储气库库存量变化曲线图” [5](图2)。

图2 XXX地下储气库库存量变化曲线图

地下储气库库存量变化曲线图的绘制方法如下:

1)统计每个地下储气库生产周期内注气阶段注气量与对应的压力数据, 采气阶段采气量与对应的压力数据。

2)以累计注气量、累计采气量为自变量横坐标, 以地层压力为因变量纵坐标, 绘制直角坐标。

3)以地下储气库方案设计开始建库时的库容量、地层压力作为起始点, 以地下储气库投入生产后实际累计注气量、累计采气量在起始点库容量数值上累加计算, 最后将数据绘制成图。

4 地下储气库的库存量曲线特征

通常地下储气库达到设计库容量时需要若干个注采周期才能逐步完成[6, 7]。通过对地下储气库库存量曲线进行定量评价, 并结合地下储气库地质特点和生产管理因素进行综合分析, 可以揭示地下储气库由“ 空库” 到“ 满库” 的库容量变化规律, 预测和评价地下储气库达到设计库容量所需要的达容周期数。

图3 地下储气库库存量变化曲线简化模式图

不同地下储气库的地质特征与状态参数不同, 但生产过程基本相同, 库存量曲线特征相近, 基本符合简化的库存量曲线模式图(图3)。图3中①-②轨迹线为地下储气库注气期曲线, ②-③轨迹线为地下储气库采气期曲线, ①-②-③轨迹线为第一周期的注采曲线, 反映了地下储气库“ 注气扩容— 采气缩容” 与“ 注气升压— 采气降压” 的周期特征。同理③-④-⑤、⑤-⑥-⑦、⑦-⑧-⑨、⑨-⑩- 点的轨迹线, 分别描绘了地下储气库第二、三、四、五注采周期的库存量与压力变化过程, 也揭示了储气库由投产时的“ 空库” 到逐步达到方案设计的库容量时“ 满库” 的周期变化过程, 即生产现场所称的“ 达容过程” 。

图3所示随着生产周期数增加, 地下储气库实际库存量增加。每一生产周期注气期末所对应的横坐标数值即为当期地下储气库的最大库存量值。每一生产周期采气期末所对应的横坐标数值即为当期地下储气库的最小库存量值。

注气曲线与横轴夹角越小即斜率越小, 表明扩容速率越快、压力提升越慢、注气弹性产率越大; 注气曲线沿横轴距离越长, 表明注气期注入气量越多。注气曲线与纵轴夹角越小距离越长, 表明注气期压力提升越快越多。

采气曲线与横轴夹角越小即斜率越小, 表明缩容速率越快、压力降落越慢、采气弹性产率越大; 采气曲线沿横轴距离越长, 表明采气期采出气量越多。采气曲线与纵轴夹角越小距离越长, 表明采气期压力下降越快越多。

同一生产周期内注采曲线下部开口越大, 表明生产周期内累计注气量与累计采气量差值越大, 地下储气库存气量越多、扩容越多。

图3中地下储气库运行生产第一周期至第五周期, 地下储气库内存气量逐渐增加, 压力水平逐渐提高, 到地下储气库运行生产第五周期时压力已开始达到方案设计的上限压力值, 库容扩充接近最大库容量值。地下储气库运行生产第一周期至第五周期的扩容规律是:①每个生产周期注气量多, 采气量少, 库存量增加。②地下储气库运行生产早期压力低时扩容快, 运行生产后期压力高时扩容变慢。这种现象可反映两种非定容储气库扩容状态, 一是边界为油水接触的非定容储气库, 注入气量不断驱离边界液体腾空库容, 地下储气库运行生产早期压力低时扩容快, 运行生产后期压力高时扩容变慢; 二是有油水侵入的已开发气藏改建的地下储气库, 地下储气库内被生产采出的液量空间由注入气填充扩容, 地下储气库运行生产早期库内含液量高, 采出液量多, 腾空库容量大, 地下储气库运行生产后期含液量降低, 每个生产周期采液量减少腾空库容量小; 具体哪种扩容状态需结合地质条件判定。③地下储气库运行生产第五周期为达容周期特征:地下储气库注气量曲线和采气量曲线基本重叠, 表明注气量与采气量数量相近, 库内存气量增长量较少, 库存量已达最大值, 压力变化区间符合方案设计指标, 此时地下储气库基本达到“ 满库” 状态。此例地下储气库达容周期约为5个周期, 预计该地下储气库后续注采周期将类似第五周期状态。

5 地下储气库库存量曲线的端点特征

图3所示的①点为地下储气库的原始状态点, 反映了建库时地下储气库的原始库容气量和地层压力, 也反映了气藏改建地下储气库时的地层压力和剩余储量。①点横坐标对应库容量为建库时的库容气量。若为废弃气藏建库, 则此库容气量为气藏废弃时的库容气量, 即基础垫气量, 对应气藏开发概念则为不可采出的天然气地质储量; 若为开发末期气藏建库, 则库容气量为基础垫气量与部分附加垫气量之和, 对应气藏开发概念则为气藏开发末期的剩余天然气地质储量, 包括天然气剩余可采储量和不可采出的天然气地质储量。①点纵坐标对应压力为建库时的地层压力, 若为废弃气藏建库, 则此压力为气藏废弃压力; 若为开发末期气藏建库则压力为气藏末期地层压力。

图3所示的②点为地下储气库第一注气期结束时的状态点, 反映了地下储气库第一注气期结束时的库存气量和地层压力; ②点横坐标对应库存量为地下储气库第一注气期结束时的库存气量。②点与①点库存气量之差即为地下储气库第一注气期的注气量。②点纵坐标对应地下储气库第一注气期结束时的地层压力, 也是第一注采气期的储气库最高运行压力。②点与①点地层压力之差即为第一注气期的压力升高值。②点与①点连接的曲线轨迹反映了地下储气库在注气期随着注气量的增加库存量与地层压力的变化规律。

图3所示的③点为地下储气库第一采气期结束时的状态点, 反映了地下储气库第一采气期结束时的库存量和地层压力; ③点横坐标对应地下储气库第一采气期结束时的库存量。该点与①点库存量之差即为地下储气库第一采气期末的库存量增加值。③点纵坐标对应地下储气库第一采气期结束时的地层压力, 也是地下储气库第一采气期的最低运行压力。该点与①点地层压力之差即为地下储气库第一采气期末的压力升高值。③点与②点连接的曲线轨迹反映了地下储气库第一采气期随着采气量的增加库容量与地层压力的变化规律。

地下储气库每个注采周期对应3个状态点的物理意义与第一周期基本一致。

图3所示的⑩点为地下储气库第五生产周期扩容过程的基本结束点。 ⑩点库存量应等于设计最大库容量, 点库存量应等于垫气量, ⑩点与 点库存量之差应为地下储气库工作气量, ⑩点压力应等于设计上限压力, 点压力应等于设计下限压力, 高低压差应等于设计运行压力区间。

6 结论

1)应用物质守恒原理可以指导进行地下储气库扩容规律的认识。

2)由低压气藏改建的地下储气库, 从开始扩容到逐渐达容是个多周期的多注气、少采气扩容过程, 直至达容。

3)地下储气库由开始扩容到多周期达容的普遍规律, 可以应用地下储气库库存量曲线方式图形化展示。其规律分析方法可以参考本文进行。

符 号 说 明

Gk为库容量, 108 m3; Gp为累积采气量, 108 m3; pi为原始地层压力, MPa; p为目前地层压力, MPa; Zi为原始气体偏差系数; Z为目前气体偏差系数。

The authors have declared that no competing interests exist.

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