枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)地面工藝設(shè)計(jì)及技術(shù)研究

徐夢(mèng)瑤 姚麗蓉 銀永明 吳佳偉

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆烏魯木齊，830011； 2.中國(guó)石油化工股份有限公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊，830011； 3.中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州，451000)

1 引言

隨著國(guó)家大力實(shí)施“煤改氣”以及車用、分布式能源快速發(fā)展，特別是工業(yè)用氣量增幅明顯，需求量遠(yuǎn)超預(yù)期水平，從國(guó)家至各個(gè)市場(chǎng)主體對(duì)于調(diào)峰能力的需求極為迫切[1,2]。地下儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰、LNG調(diào)峰、氣田調(diào)峰等是世界上常規(guī)儲(chǔ)氣調(diào)峰措施，相比LNG和氣田調(diào)峰，地下儲(chǔ)氣庫(kù)具有容量大、儲(chǔ)氣壓力高、受環(huán)境氣候影響小等優(yōu)勢(shì)，是季節(jié)調(diào)峰的最主要手段[3-4]。目前，枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)依托長(zhǎng)輸管線建設(shè)，建成后將進(jìn)一步緩解天然氣供應(yīng)壓力，并有效服務(wù)管道沿線地區(qū)。“十四五”期間儲(chǔ)氣庫(kù)的注氣資源有保障，目標(biāo)市場(chǎng)季節(jié)調(diào)峰、應(yīng)急供氣需求形勢(shì)嚴(yán)峻，迫切需要建設(shè)枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)。

2 枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)必要性

2.1 儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)響應(yīng)國(guó)家能源整體規(guī)劃要求

《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確提出要增加儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)能力，逐步建立以地下儲(chǔ)氣庫(kù)為主，氣田調(diào)峰、CNG和LNG儲(chǔ)備站為輔的綜合性調(diào)峰系統(tǒng)，指出重點(diǎn)推進(jìn)天然氣儲(chǔ)存、調(diào)峰能力，并要求到2020年地下儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)存能力達(dá)到148×108m3。

2.2 儲(chǔ)氣庫(kù)保障中石化天然氣儲(chǔ)存和銷售能力

國(guó)家儲(chǔ)氣相關(guān)文件明確提出：到2020年，供氣單位要具備高于其年銷售量10%的天然氣儲(chǔ)備能力。2019年中國(guó)石化天然氣產(chǎn)量296.74×108m3，同比增長(zhǎng)7.21%。

2.3 儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)可以充分發(fā)揮LNG接收站和管道的輸送能力

儲(chǔ)氣庫(kù)建成后，在非高峰期將富余氣量注入儲(chǔ)氣庫(kù)，在高峰期采出供應(yīng)市場(chǎng)，接收站和管網(wǎng)可充分發(fā)揮設(shè)計(jì)能力，基本實(shí)現(xiàn)全年均衡生產(chǎn)，有效調(diào)節(jié)LNG進(jìn)口供應(yīng)量。

2.4 儲(chǔ)氣庫(kù)是天然氣市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的需要

天然氣市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，“十三五”期間資源供應(yīng)總量翻一番，而儲(chǔ)氣調(diào)峰能力卻沒有相應(yīng)增加，區(qū)域內(nèi)的調(diào)峰矛盾更加突出，而枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)地面工程的建設(shè)對(duì)于目前天然氣市場(chǎng)開發(fā)和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展都具有重要意義。

3 枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)規(guī)模

天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)采取周期運(yùn)行方式，每年夏季為注氣期，冬季為采氣期，通過(guò)對(duì)天然氣的儲(chǔ)存調(diào)配，達(dá)到為用氣市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)峰的目的。管道及用氣目標(biāo)市場(chǎng)天然氣出現(xiàn)盈余時(shí)進(jìn)入儲(chǔ)氣庫(kù)進(jìn)行注氣，出現(xiàn)不足時(shí)從儲(chǔ)氣庫(kù)采出處理后進(jìn)入管道及用氣目標(biāo)市場(chǎng)。

根據(jù)氣藏研究，枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)有效庫(kù)容3.49×108Nm3，工作氣量1.94×108m3，墊氣量1.55×108m3，補(bǔ)充墊氣量0.47×108m3。本工程設(shè)計(jì)注氣能力120×104Nm3/d，調(diào)峰供氣能力200×104Nm3/d，應(yīng)急供氣能力200×104m3/d，注采氣運(yùn)行壓力9—40MPa。

儲(chǔ)氣庫(kù)采用一級(jí)布站方式，設(shè)注采站1座、叢式井場(chǎng)1座，注采站與叢式井場(chǎng)合建。儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)2口注、采氣井(其中，新鉆井1口，利用老井1口)，采用“2注2采”。儲(chǔ)氣庫(kù)注氣期為每年的4月5日至10月31日，共計(jì)210天；采氣期為每年的11月10日至次年3月20日，共計(jì)130天，檢測(cè)、維修平衡期25天。

4 枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)集輸工藝設(shè)計(jì)研究

4.1 注氣工藝研究

在注氣期，氣源從外輸管線輸至注采站，經(jīng)過(guò)計(jì)量、分離、除塵，由注氣壓縮機(jī)增壓至9—40MPa后，通過(guò)注氣閥組分配至各單井注氣管線注入目標(biāo)底層儲(chǔ)存，注氣工藝見圖1。

圖1 儲(chǔ)氣庫(kù)注氣工藝流程圖

4.1.1 來(lái)氣壓力

枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)區(qū)塊外輸管線輸至注采站，運(yùn)行壓力由閥室參數(shù)以及區(qū)塊地質(zhì)條件確定，已建的枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)區(qū)塊外輸管線設(shè)計(jì)壓力9MPa，運(yùn)行壓力7.0—8.0MPa。結(jié)合H區(qū)塊地質(zhì)條件以及氣藏方案，確定注氣階段地層壓力為17.6—50MPa；井口壓力為9—40MPa。注氣站與井場(chǎng)毗鄰建設(shè)，壓縮機(jī)組出口壓力≤40MPa。

4.1.2 注氣氣量

本工程共設(shè)1座注采站，注采站的注氣能力120×104m3/d，注采站通過(guò)注(采)氣單井管線到叢式井場(chǎng)的井口裝置。

4.1.3 單井注氣量

枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)氣藏庫(kù)容對(duì)應(yīng)上限壓力50MPa，最大井口注氣壓力40MPa，注(采)氣單井管線設(shè)計(jì)壓力42MPa，單井注氣規(guī)模140×104m3/d，氣井井口壓力9—40MPa。

4.1.4 注氣管線選擇

單井注氣與采氣共用同一條管線，注氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力42MPa，單井注氣管線采用D114×14的無(wú)縫鋼管，管線的材質(zhì)為L(zhǎng)415Q，執(zhí)行《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 集氣工藝研究

已建的新枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)1井場(chǎng)與枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)1#集氣站合建，擬將新枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)1井場(chǎng)擴(kuò)建為儲(chǔ)氣庫(kù)叢式井場(chǎng)，毗鄰枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)1#集氣站建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)注采站，井口采出天然氣溫度均高于20℃，通過(guò)管線集輸?shù)阶⒉烧竟芫€溫度保持高于天然氣形成水合物溫度17.5℃，因此采出氣不具有水合物形成溫度的條件。

通過(guò)前移節(jié)流點(diǎn)，采用井口不加熱、兩級(jí)節(jié)流氣液混輸工藝技術(shù)，依靠自身壓力輸送進(jìn)入注采站，在注采站內(nèi)通過(guò)計(jì)量分離器進(jìn)行單井計(jì)量、過(guò)濾分離，后通過(guò)三甘醇脫水，露點(diǎn)合格后的天然氣通過(guò)計(jì)量外輸至氣源管網(wǎng)，完成長(zhǎng)輸管網(wǎng)的季節(jié)調(diào)峰。工藝流程如圖2所示。

圖2 枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)集氣工藝流程圖

4.3 露點(diǎn)控制工藝研究

4.3.1 氣質(zhì)分析

根據(jù)枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)原氣藏氣源及產(chǎn)水量情況，通過(guò)HYSYS軟件模擬預(yù)測(cè)儲(chǔ)氣庫(kù)采出氣組分及水露點(diǎn)27℃(8MPa)、烴露點(diǎn)-30.65℃(8MPa)。

4.3.2 天然氣脫水指標(biāo)

4.3.2.1 天然氣技術(shù)要求

根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中3.1.2的要求“烴露點(diǎn)應(yīng)低于最低環(huán)境溫度”。儲(chǔ)氣庫(kù)外輸天然氣應(yīng)滿足GB 17820-2018《天然氣》中的天然氣技術(shù)指標(biāo)。

表1 天然氣技術(shù)指標(biāo)

枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)外輸天然氣應(yīng)滿足天然氣二類氣指標(biāo)。

4.3.2.2 烴露點(diǎn)

根據(jù)地質(zhì)資料，枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)周圍輸氣管道1.2m埋深處最低溫度為5℃。在8MPa時(shí)烴露點(diǎn)為-30.65℃，采出氣質(zhì)符合烴露點(diǎn)要求，不需要進(jìn)行脫烴處理。

經(jīng)過(guò)綜合分析，枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)為枯竭氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)，特別是建成投產(chǎn)初期，氣藏產(chǎn)出層位以及產(chǎn)出采出氣組份的不確定性、存在采出氣烴露點(diǎn)不達(dá)標(biāo)可能性，配套天然氣處理工藝以水露點(diǎn)控制為主，同時(shí)兼顧具有烴露點(diǎn)控制功能。

4.3.2.3 水露點(diǎn)

枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)周圍輸氣管道1.2m埋深處最低溫度為5℃。綜合考慮枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)主要目標(biāo)市場(chǎng)地溫大于0℃的實(shí)際情況，露點(diǎn)控制裝置設(shè)計(jì)出口天然氣烴露點(diǎn)0℃(8MPa)，水露點(diǎn)0℃(8MPa)。

4.3.3 脫水處理能力

根據(jù)儲(chǔ)氣庫(kù)注采工程方案，枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)有效庫(kù)容上限壓力為50MPa，下限壓力17.6MPa，調(diào)峰供氣、采出氣供氣壓力為7.5—8.5MPpa，采氣井口溫度<80℃，集輸天然氣溫度在20—60℃。注采站采用三甘醇脫水工藝，實(shí)現(xiàn)天然氣水露點(diǎn)外輸要求，三甘醇吸脫水裝置按照采氣期最大設(shè)計(jì)能力(200×104m3/d)考慮。

4.3.4 常用脫水方法分析

天然氣(采出天然氣)脫水工藝有：濕法(溶劑吸收)、干法(分子篩吸附)和低溫分離法(節(jié)流制冷分離工藝)[5]。

4.3.4.1 溶劑吸收法

含飽和水的采出氣進(jìn)入三甘醇吸收塔，在吸收塔塔內(nèi)與脫水溶劑充分接觸，在塔內(nèi)部形成對(duì)流，從而實(shí)現(xiàn)溶劑吸收飽和水，天然氣干燥的目的，天然氣的水露點(diǎn)滿足集輸要求，溶劑通過(guò)加熱再生后可反復(fù)使用。

4.3.4.2 固體吸附法

天然氣通過(guò)分子篩等固體吸附物，將天然氣中含有的飽和水吸附在分子篩中，天然氣中水含量降低，實(shí)現(xiàn)水露點(diǎn)降低的目的，分子篩需要周期性吸附、再生循環(huán)使用。

4.3.4.3 低溫分離脫水法

在采出氣中注甲醇或乙二醇或等水合物抑制劑，降低水溶液冰點(diǎn)防止凍堵，然后利用節(jié)流形成的低溫或者丙烷制冷機(jī)組的輔助制冷降低溫度，進(jìn)行低溫分離，從而達(dá)到降低天然氣水露點(diǎn)的目的，水合物抑制劑(甲醇或者乙二醇)通過(guò)再沸器加熱再生循環(huán)利用。

4.3.5 脫水方法方案選擇

根據(jù)枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)特點(diǎn)和采出氣條件，對(duì)于純氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)，采用三甘醇吸附法脫水、節(jié)流低溫法脫水、分子篩吸附法脫水工藝均可以滿足采出天然氣脫水水露點(diǎn)要求?？紤]枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)天然氣采出氣總量較高，水露點(diǎn)要求不高(水露點(diǎn)為0℃)，采氣期天然氣壓力變化大，后期壓力低，通過(guò)經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比，分子篩脫水工藝不適合枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)大型采出氣天然氣脫水要求。

通過(guò)以上方案比選，脫水選用三甘醇脫水集成工藝。采氣初期天然氣組分烴露點(diǎn)不達(dá)標(biāo)時(shí)間段，在井場(chǎng)通過(guò)注入甲醇運(yùn)行進(jìn)行烴露點(diǎn)控制工況。

4.4 注氣壓縮機(jī)選型研究

枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)備選型立除壓縮機(jī)高壓外，其余設(shè)備較為常規(guī)，以國(guó)產(chǎn)設(shè)備為主要采購(gòu)對(duì)象，注氣壓縮機(jī)、控制系統(tǒng)、高壓調(diào)節(jié)閥、工藝控制閥和先導(dǎo)式安全閥選用國(guó)內(nèi)知名品牌。

4.4.1 壓縮機(jī)組機(jī)型選擇

枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)地處山地，地理?xiàng)l件復(fù)雜，為純枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)，壓縮機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，氣量大、注氣壓力高(40MPaG)、壓比大。儲(chǔ)氣庫(kù)相關(guān)規(guī)范要求，宜選用往復(fù)式壓縮機(jī)組作為儲(chǔ)氣庫(kù)增壓設(shè)備，離心式壓縮機(jī)組相對(duì)價(jià)格及注氣壓力不能實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，故本次選用三級(jí)往復(fù)式增壓機(jī)組作為注氣壓縮機(jī)組。

4.4.2 壓縮機(jī)組驅(qū)動(dòng)方式選擇

壓縮機(jī)組驅(qū)動(dòng)方式主要有燃?xì)怛?qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種，兩種驅(qū)動(dòng)方式在天然氣增壓工程中均有成功應(yīng)用。無(wú)論采用燃驅(qū)還是電驅(qū)，都能夠滿足本工程實(shí)際運(yùn)行工藝需要，驅(qū)動(dòng)方式選擇由所處供配電情況和經(jīng)濟(jì)投資指標(biāo)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際所需決定。

4.4.2.1 適用性對(duì)比

燃驅(qū)壓縮機(jī)組，配置燃料氣、潤(rùn)滑油，適用于電布置薄弱、電價(jià)相對(duì)高以及電源緊張地區(qū)。電驅(qū)機(jī)組的電機(jī)需配置相應(yīng)的輸變電系統(tǒng)，電機(jī)由一臺(tái)交流異步電機(jī)(配置高壓開關(guān)柜和低壓控制柜)組成，電源引自戶外電網(wǎng)，由室外電網(wǎng)決定其正常工作性能。

采用電驅(qū)壓縮機(jī)組，集注站最大用電計(jì)算負(fù)荷為3852kW，供電電壓采用35kV；采用燃驅(qū)壓縮機(jī)組，注采站最大用電計(jì)算負(fù)荷為800kW，供電電壓采用10kV。

4.4.2.2 能耗對(duì)比

燃?xì)怛?qū)動(dòng)壓縮機(jī)組的驅(qū)動(dòng)機(jī)和空冷器由燃?xì)馓峁﹦?dòng)力，電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)和空冷器由電力提供動(dòng)力，兩種驅(qū)動(dòng)方式壓縮機(jī)組能耗指標(biāo)對(duì)比見表2。

表2 年能耗對(duì)比

從以上對(duì)比可以看出，排量同為60×104Nm3/d的兩種驅(qū)動(dòng)方式壓縮機(jī)組，燃?xì)怛?qū)動(dòng)壓縮機(jī)組比電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組能耗費(fèi)用低233萬(wàn)元/年·臺(tái)，枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)注采站內(nèi)設(shè)置2臺(tái)注氣壓縮機(jī)組，燃?xì)怛?qū)動(dòng)壓縮機(jī)組比電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用466萬(wàn)元/年。從能耗角度對(duì)比，選用燃?xì)怛?qū)動(dòng)壓縮機(jī)更經(jīng)濟(jì)。

4.4.2.3 工程費(fèi)用對(duì)比

采用燃?xì)怛?qū)動(dòng)壓縮機(jī)組，地面工程費(fèi)用14644.93萬(wàn)元；采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組，地面工程費(fèi)用14734.64萬(wàn)元。燃?xì)怛?qū)動(dòng)壓縮機(jī)組方案僅比電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組方案節(jié)省工程費(fèi)用89.71萬(wàn)元，具體詳見表3。

綜合對(duì)比，燃?xì)怛?qū)動(dòng)壓縮機(jī)組和電驅(qū)壓縮機(jī)組在技術(shù)上均可滿足本工程工況的要求，工程投資電驅(qū)方案經(jīng)濟(jì)效益略高于燃驅(qū)方案，但從運(yùn)行維護(hù)和環(huán)保角度考慮，本工程選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組。

表3 工程費(fèi)用對(duì)比

5 結(jié)論

枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)依托長(zhǎng)輸管線建設(shè)，氣源充足，根據(jù)枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)、注采工程研究方案與天然氣目標(biāo)市場(chǎng)需求研究結(jié)果，采用一級(jí)布站工藝進(jìn)行整體規(guī)劃設(shè)計(jì)，包括1座注采站、2口注采井及配套工程。采出氣處理工藝采用井口氣量控制裝置、注采合一和三甘醇脫水集成工藝技術(shù)，充分利用氣藏高溫、高壓能量，同時(shí)選用2臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式注氣壓縮機(jī)，通過(guò)優(yōu)化工藝，降低節(jié)流損失，實(shí)現(xiàn)高效安全運(yùn)行?？萁邭獠匦蛢?chǔ)氣庫(kù)建成后對(duì)保障我國(guó)中東部發(fā)達(dá)地區(qū)城市群經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定意義重大。