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(zhèn)江　212050）

鹽穴儲氣庫造腔管理分析系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)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(zhèn)江212050）

在鹽穴儲氣庫建設(shè)過程中，由于經(jīng)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(shè)計和開發(fā)了鹽穴儲氣庫造腔管理分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫組織和維護(hù)造腔生產(chǎn)數(shù)據(jù)，設(shè)計和實現(xiàn)造腔分析、聲納分析、注采運行以及系統(tǒng)管理等功能模塊，實現(xiàn)造腔進(jìn)度快速計算和監(jiān)控、油墊壓力監(jiān)測以及造腔參數(shù)優(yōu)化等許多科學(xué)實用的功能，大大降低了人工計算量，確保造腔設(shè)計和進(jìn)度監(jiān)測的準(zhǔn)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(yōu)化；油墊壓力監(jiān)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(zhì)特點和國情，由于經(jīng)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(wù)的推進(jìn)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)日趨龐雜，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的整理分析變成一項繁瑣的任務(wù)。不僅數(shù)據(jù)的篩選困難，為了獲取某項造腔參數(shù)，還需要大量的手工計算，計算效率和準(zhǔn)確率都難以保證。其次，造腔異常和井下故障難以發(fā)現(xiàn)，沒有科學(xué)有效的檢測手段，僅能依靠現(xiàn)場檢查和井下作業(yè)，成本高。另外，庫區(qū)多井同時造腔方案，沒有科學(xué)的優(yōu)化方法，導(dǎo)致淡水供應(yīng)和鹵水外輸不均衡的矛盾突出，協(xié)調(diào)困難，導(dǎo)致庫區(qū)造腔高能耗、低效率的問題嚴(yán)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(tǒng)架構(gòu)

鹽穴儲氣庫造腔管理分析系統(tǒng)（簡稱GSDMAS）采用客戶端/服務(wù)器模式（C/S模式）。服務(wù)器端采用SQL SERVER數(shù)據(jù)庫。根據(jù)造腔過程中涉及的諸多因素和實際需求，對數(shù)據(jù)庫關(guān)系模式［1］進(jìn)行設(shè)計，規(guī)范數(shù)據(jù)存儲規(guī)則，降低數(shù)據(jù)冗余?？蛻舳瞬捎媚K化設(shè)計，根據(jù)生產(chǎn)需要和問題，設(shè)計多個功能模塊，并且隨著新的生產(chǎn)問題不斷發(fā)現(xiàn)，新的功能模塊也隨之增加，使系統(tǒng)功能不斷豐富和完善。

綜合需求分析，該系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計圖（見圖1）。

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

2　模塊功能

GSDMAS系統(tǒng)客戶端設(shè)計開發(fā)6大功能模塊，包括鹽穴地圖、造腔設(shè)計、造腔分析、聲納分析、注采運行以及系統(tǒng)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(biāo)，展示庫區(qū)各井相對位置以及各個腔體當(dāng)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(jiān)控模塊，用于監(jiān)控各個腔體的階段進(jìn)度和工程進(jìn)度，也具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能；數(shù)據(jù)選擇模塊，也即數(shù)據(jù)查詢模塊，用于查詢和編輯各個腔體詳細(xì)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)；報告生成模塊，用于從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出各個腔體的綜合月報和日報數(shù)據(jù)；聲納測量計劃模塊，可優(yōu)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(jiān)測、地面地下聲納三體積、排量壓力對比、油墊壓力監(jiān)測、注入量監(jiān)測以及造腔效率監(jiān)控等。

圖1　鹽穴儲氣庫造腔管理分析系統(tǒng)架構(gòu)

2.3造腔設(shè)計

它是造腔設(shè)計的輔助模塊，可以生成巖性表和批量生成造腔階段數(shù)據(jù)等，可供造腔模擬軟件使用。

2.4聲納分析

用于聲納數(shù)據(jù)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(shè)計提供參考。

2.5注采運行

負(fù)責(zé)儲氣庫注采運行監(jiān)控和注采數(shù)據(jù)查詢。注采運行監(jiān)測內(nèi)容包括腔體壓力狀態(tài)、運行氣量和庫容以及最近30 d壓力波動等。

2.6系統(tǒng)管理

主要用于生產(chǎn)數(shù)據(jù)維護(hù)、用戶管理、系統(tǒng)公告發(fā)布以及系統(tǒng)日志等。其中，生產(chǎn)數(shù)據(jù)維護(hù)包括單井信息維護(hù)、日報數(shù)據(jù)更新、聲納數(shù)據(jù)維護(hù)、溶腔階段維護(hù)以及注采氣數(shù)據(jù)更新等子模塊。用戶管理模塊可以添加刪除系統(tǒng)用戶、設(shè)置用戶權(quán)限以及編輯用戶信息等功能。

3　技術(shù)創(chuàng)新

在GSDMAS系統(tǒng)的開發(fā)過程中，通過技術(shù)創(chuàng)新解決了3大技術(shù)難題，包括排鹵濃度監(jiān)測、油墊壓力監(jiān)測以及造腔參數(shù)優(yōu)化。

3.1排鹵濃度監(jiān)測

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

為了解決該問題，自主設(shè)計開發(fā)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(fā)現(xiàn)潛在的造腔異常。GSDMAS內(nèi)置的造腔模擬器采用的網(wǎng)格模型（見圖2）。

圖2　造腔模擬網(wǎng)格圖解

網(wǎng)格濃度變化方程：

式中：C-網(wǎng)格濃度，g/L；ms-溶鹽速率；u-流速，m/s；D-擴(kuò)散常數(shù)，m2/s；h-網(wǎng)格高度，m。

3.2溶腔參數(shù)優(yōu)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(chǎn)中，還需要考慮為每口井配置注入量、循環(huán)模式、注入工質(zhì)類型等。由于淡水供應(yīng)來自鹽化，并且鹽化的淡水供應(yīng)量有限，同時，鹽化要求東注水站外輸與淡水供應(yīng)量等量的飽和鹵水。因此，在安排造腔進(jìn)度時，淡水注入總量、外輸鹵水總量以及鹽化淡水供應(yīng)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(xié)調(diào)以下3個條件約束來實現(xiàn)溶腔參數(shù)最優(yōu)化。

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

在滿足第（3）個約束的情況下，淡水消耗量與外輸量也會達(dá)到平衡。

考慮上述問題和約束，采用非線性規(guī)劃理論［3］，建立該問題的數(shù)學(xué)模型，如下。

式中：N-注水站注水口數(shù)量；Xi1-第i個注水口的循環(huán)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(zhì)濃度，g/L；Xi4，Xi5-第i個注水口的內(nèi)、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(yīng)淡水量限值，常量，m3/h；S-外輸?shù)禁}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(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的求解，常見的思路是采用罰函數(shù)法［4］將問題轉(zhuǎn)化為無約束［5］的最優(yōu)化問題，采用直接法對其求解，進(jìn)而得到最優(yōu)的溶腔參數(shù)。

3.3油墊壓力監(jiān)測

油墊壓力監(jiān)測遇到的問題與排鹵濃度監(jiān)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(jù)。創(chuàng)新性地將水動力學(xué)管流理論與鹽巖蠕變理論相結(jié)合，準(zhǔn)確計算油墊壓力。相關(guān)理論比較成熟，本文不再贅述。

4　現(xiàn)場應(yīng)用

從2010年開始至今，主要應(yīng)用于金壇鹽穴儲氣庫。借助GSDMAS，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)更加規(guī)范，數(shù)據(jù)整理更加簡單高效，顯著提高管理水平；利用系統(tǒng)的功能模塊，使得造腔跟蹤分析一鍵即可完成，準(zhǔn)確快速，避免手工計算，降低勞動強度；通過數(shù)據(jù)分析診斷造腔故障，降低現(xiàn)場作業(yè)量，節(jié)約成本；利用造腔優(yōu)化模塊，實現(xiàn)多井造腔排量得以優(yōu)化，可以更好的協(xié)調(diào)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(tǒng)的輔助功能模塊也非常實用。利用其進(jìn)度跟蹤及聲納計劃功能，優(yōu)化井下作業(yè)和聲納檢測，降低施工成本；利用其用戶權(quán)限管理，將庫區(qū)各個造腔任務(wù)具體到人，責(zé)任到人，既有利于提高工作效率，也有利于規(guī)范管理，確保生產(chǎn)任務(wù)保質(zhì)保量地完成。

GSDMAS的應(yīng)用取得了非常好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，有效地保障了金壇庫區(qū)造腔任務(wù)的順利推進(jìn)。截至目前，金壇庫區(qū)已經(jīng)順利完成造腔683.5×104m3，完腔14口井，有效庫容達(dá)5×108m3。

5　結(jié)論

（1）為了解決金壇鹽穴儲氣庫建設(shè)中造腔管理和效率的問題，結(jié)合造腔生產(chǎn)實際，設(shè)計和開發(fā)鹽穴儲氣庫造腔管理分析系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計良好，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)冗余較少，采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)功能豐富，且具有一定的可擴(kuò)展性。

（2）借助GSDMAS系統(tǒng)，金壇庫區(qū)的造腔管理形成一套規(guī)范的工作制度，使庫區(qū)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)更加規(guī)范高效，造腔跟蹤分析更加快速便捷。

（3）通過技術(shù)創(chuàng)新，解決了水溶建腔3大技術(shù)難題，利用排鹵濃度監(jiān)測和油墊壓力監(jiān)測功能，不需要現(xiàn)場作業(yè)，即可監(jiān)測造腔異常和故障，有效地減少了施工作業(yè)量，降低造腔成本；利用造腔參數(shù)優(yōu)化功能，優(yōu)化配置注水站造腔參數(shù)，進(jìn)而節(jié)約能耗，提高造腔效率。

（4）GSDMAS系統(tǒng)在金壇庫區(qū)的應(yīng)用取得了非常好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，在鹽穴儲氣庫建設(shè)方面具有非常好的推廣價值。

［1］周定康，許婕，李云洪，等.關(guān)系數(shù)據(jù)庫理論及應(yīng)用［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.

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10.3969/j.issn.1673-5285.2016.08.014

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