鹽穴儲氣庫造腔管理分析系統設計與應用

李淑平，劉繼芹，齊得山，陳加松，敖海兵，王成林

（中國石油西氣東輸管道公司儲氣庫管理處，江蘇鎮江　212050）

鹽穴儲氣庫造腔管理分析系統設計與應用

李淑平，劉繼芹，齊得山，陳加松，敖海兵，王成林

（中國石油西氣東輸管道公司儲氣庫管理處，江蘇鎮江212050）

在鹽穴儲氣庫建設過程中，由于經驗不足，在管理和效率方面存在較多問題。為了提高鹽穴儲氣庫建庫的工作效率和管理水平，自主設計和開發了鹽穴儲氣庫造腔管理分析系統。該系統利用關系數據庫組織和維護造腔生產數據，設計和實現造腔分析、聲納分析、注采運行以及系統管理等功能模塊，實現造腔進度快速計算和監控、油墊壓力監測以及造腔參數優化等許多科學實用的功能，大大降低了人工計算量，確保造腔設計和進度監測的準確性，有效地提高了管理水平，具有非常好的推廣價值。

鹽穴儲氣庫；造腔分析；造腔優化；油墊壓力監測

金壇鹽穴儲氣庫，是中國鹽穴儲氣第一庫。在建庫之初，面對中國特有地質特點和國情，由于經驗不足，在造腔管理和效率方面遇到了較多問題。概括來講，主要包括三個方面的問題。首先，隨著建庫任務的推進，生產數據日趨龐雜，對生產數據的整理分析變成一項繁瑣的任務。不僅數據的篩選困難，為了獲取某項造腔參數，還需要大量的手工計算，計算效率和準確率都難以保證。其次，造腔異常和井下故障難以發現，沒有科學有效的檢測手段，僅能依靠現場檢查和井下作業，成本高。另外，庫區多井同時造腔方案，沒有科學的優化方法，導致淡水供應和鹵水外輸不均衡的矛盾突出，協調困難，導致庫區造腔高能耗、低效率的問題嚴重。因此，急需一套用于鹽穴儲氣庫造腔管理和分析的軟件。

1　系統架構

鹽穴儲氣庫造腔管理分析系統（簡稱GSDMAS）采用客戶端/服務器模式（C/S模式）。服務器端采用SQL SERVER數據庫。根據造腔過程中涉及的諸多因素和實際需求，對數據庫關系模式［1］進行設計，規范數據存儲規則，降低數據冗余。客戶端采用模塊化設計，根據生產需要和問題，設計多個功能模塊，并且隨著新的生產問題不斷發現，新的功能模塊也隨之增加，使系統功能不斷豐富和完善。

綜合需求分析，該系統架構設計圖（見圖1）。

為了快速開發，客戶端選擇基于.net平臺開發，采用C#語言編寫，要求編碼規范，注釋詳細。模塊功能必須經過全面的測試。

2　模塊功能

GSDMAS系統客戶端設計開發6大功能模塊，包括鹽穴地圖、造腔設計、造腔分析、聲納分析、注采運行以及系統管理。

2.1鹽穴地圖

該模塊主要功能是基于各個井位的大地坐標，展示庫區各井相對位置以及各個腔體當前橫截面形狀。

2.2造腔分析

該模塊包含眾多子模塊，功能豐富，是GSDMAS的核心模塊。該模塊包含的子模塊主要有：造腔監控模塊，用于監控各個腔體的階段進度和工程進度，也具有數據統計功能；數據選擇模塊，也即數據查詢模塊，用于查詢和編輯各個腔體詳細的生產數據；報告生成模塊，用于從數據庫中導出各個腔體的綜合月報和日報數據；聲納測量計劃模塊，可優化安排各個腔體的聲納測量計劃；圖表分析模塊，是造腔分析模塊的核心模塊，功能包括排鹵濃度監測、地面地下聲納三體積、排量壓力對比、油墊壓力監測、注入量監測以及造腔效率監控等。

圖1　鹽穴儲氣庫造腔管理分析系統架構

2.3造腔設計

它是造腔設計的輔助模塊，可以生成巖性表和批量生成造腔階段數據等，可供造腔模擬軟件使用。

2.4聲納分析

用于聲納數據分析，可展示二維和三維腔體形狀。即可展示腔體某個階段的二維形狀，也可以展示多個階段疊加的二維形狀，為腔體偏溶分析和造腔設計提供參考。

2.5注采運行

負責儲氣庫注采運行監控和注采數據查詢。注采運行監測內容包括腔體壓力狀態、運行氣量和庫容以及最近30 d壓力波動等。

2.6系統管理

主要用于生產數據維護、用戶管理、系統公告發布以及系統日志等。其中，生產數據維護包括單井信息維護、日報數據更新、聲納數據維護、溶腔階段維護以及注采氣數據更新等子模塊。用戶管理模塊可以添加刪除系統用戶、設置用戶權限以及編輯用戶信息等功能。

3　技術創新

在GSDMAS系統的開發過程中，通過技術創新解決了3大技術難題，包括排鹵濃度監測、油墊壓力監測以及造腔參數優化。

3.1排鹵濃度監測

在水溶造腔過程中，通過生產日報采集各個腔體的排鹵濃度，利用每日排鹵濃度數據繪制排鹵濃度曲線。由于缺少參考依據，通過排鹵濃度曲線，僅能看到排鹵濃度波動情況，無法監測造腔過程是否存在異常。

為了解決該問題，自主設計開發了造腔模擬器［2］。利用造腔模擬器，就可以為每個腔體的每日排鹵濃度提供一個理論值，利用排鹵濃度的理論值繪制一條與實際排鹵濃度同步的理論排鹵濃度曲線，通過對比兩條曲線的差異便可以及時發現潛在的造腔異常。GSDMAS內置的造腔模擬器采用的網格模型（見圖2）。

圖2　造腔模擬網格圖解

網格濃度變化方程：

式中：C-網格濃度，g/L；ms-溶鹽速率；u-流速，m/s；D-擴散常數，m2/s；h-網格高度，m。

3.2溶腔參數優化

金壇鹽穴儲氣庫東注水站水溶建腔過程（見圖3）。在實際水溶造腔的生產中，還需要考慮為每口井配置注入量、循環模式、注入工質類型等。由于淡水供應來自鹽化，并且鹽化的淡水供應量有限，同時，鹽化要求東注水站外輸與淡水供應量等量的飽和鹵水。因此，在安排造腔進度時，淡水注入總量、外輸鹵水總量以及鹽化淡水供應量三者要趨近等量（本文以小時為單位計算）。與此同時，外輸鹵水的混合濃度也要滿足鹽化要求。另外，為了保持鹵水緩沖罐的存量，所有井的回罐總量與注淡鹵水總量也要保持平衡。

圖3　金壇儲氣庫水溶造腔示意圖

綜上所述，需要協調以下3個條件約束來實現溶腔參數最優化。

（1）淡水消耗量與供應量平衡；（2）回罐量與注淡鹵水量平衡；（3）外輸混合濃度達標。

在滿足第（3）個約束的情況下，淡水消耗量與外輸量也會達到平衡。

考慮上述問題和約束，采用非線性規劃理論［3］，建立該問題的數學模型，如下。

式中：N-注水站注水口數量；Xi1-第i個注水口的循環模式；Xi2-第i個注水口的注入量，m3/h；Xi3-第i個注水口的注入工質濃度，g/L；Xi4，Xi5-第i個注水口的內、外管深度，m；Xi6-第i個注水口的排出鹵水去向；ci-第i個注水口的排鹵濃度，g/L，ci=C（Xi），Xi是一維向量；pi-第i個注水口的排量，m3/h，pi=P（Xi），Xi是一維向量；W-鹽化供應淡水量限值，常量，m3/h；S-外輸到鹽化的最低濃度限值，常量，g/L；U-注入的淡鹵水濃度，常量，g/L。

對于以上溶腔參數優化數學模型的求解，常見的思路是采用罰函數法［4］將問題轉化為無約束［5］的最優化問題，采用直接法對其求解，進而得到最優的溶腔參數。

3.3油墊壓力監測

油墊壓力監測遇到的問題與排鹵濃度監測類似，需要為實際油墊壓力曲線匹配一條理論油墊壓力曲線作為判斷依據。創新性地將水動力學管流理論與鹽巖蠕變理論相結合，準確計算油墊壓力。相關理論比較成熟，本文不再贅述。

4　現場應用

從2010年開始至今，主要應用于金壇鹽穴儲氣庫。借助GSDMAS，生產數據的管理和維護更加規范，數據整理更加簡單高效，顯著提高管理水平；利用系統的功能模塊，使得造腔跟蹤分析一鍵即可完成，準確快速，避免手工計算，降低勞動強度；通過數據分析診斷造腔故障，降低現場作業量，節約成本；利用造腔優化模塊，實現多井造腔排量得以優化，可以更好的協調淡水注入量與鹵水外輸量的矛盾，更好的控制能耗和造腔效率。

GSDMAS系統的輔助功能模塊也非常實用。利用其進度跟蹤及聲納計劃功能，優化井下作業和聲納檢測，降低施工成本；利用其用戶權限管理，將庫區各個造腔任務具體到人，責任到人，既有利于提高工作效率，也有利于規范管理，確保生產任務保質保量地完成。

GSDMAS的應用取得了非常好的經濟效益和社會效益，有效地保障了金壇庫區造腔任務的順利推進。截至目前，金壇庫區已經順利完成造腔683.5×104m3，完腔14口井，有效庫容達5×108m3。

5　結論

（1）為了解決金壇鹽穴儲氣庫建設中造腔管理和效率的問題，結合造腔生產實際，設計和開發鹽穴儲氣庫造腔管理分析系統。系統架構設計良好，數據庫數據冗余較少，采用模塊化設計，系統功能豐富，且具有一定的可擴展性。

（2）借助GSDMAS系統，金壇庫區的造腔管理形成一套規范的工作制度，使庫區生產數據的管理和維護更加規范高效，造腔跟蹤分析更加快速便捷。

（3）通過技術創新，解決了水溶建腔3大技術難題，利用排鹵濃度監測和油墊壓力監測功能，不需要現場作業，即可監測造腔異常和故障，有效地減少了施工作業量，降低造腔成本；利用造腔參數優化功能，優化配置注水站造腔參數，進而節約能耗，提高造腔效率。

（4）GSDMAS系統在金壇庫區的應用取得了非常好的經濟和社會效益，在鹽穴儲氣庫建設方面具有非常好的推廣價值。

［1］周定康，許婕，李云洪，等.關系數據庫理論及應用［M］.武漢：華中科技大學出版社，2005.

［2］A.Saberian，A.L.Podio.A Numerical Model for Development of Solution Mined Cavities［J］.SMRI，1976.

［3］席少霖，趙鳳治.最優化計算方法［M］.上海：上海科學技術出版社，1983.

［4］王一鐵.無約束求極值的一種直接法［J］.臨沂大學學報，1999，21（6）：10-11.

［5］鄧乃揚.無約束最優化計算方法［M］.科學出版社，1982.

TE822

A

1673-5285（2016）08-0059-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.08.014

2016-06-24