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(chǔ)氣庫管理處，江蘇鎮(zhèn)江　212050）

鹽穴儲(chǔ)氣庫造腔管理分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(chǔ)氣庫管理處，江蘇鎮(zhèn)江212050）

在鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)過程中，由于經(jīng)驗(yàn)不足，在管理和效率方面存在較多問題。為了提高鹽穴儲(chǔ)氣庫建庫的工作效率和管理水平，自主設(shè)計(jì)和開發(fā)了鹽穴儲(chǔ)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(jì)和實(shí)現(xiàn)造腔分析、聲納分析、注采運(yùn)行以及系統(tǒng)管理等功能模塊，實(shí)現(xiàn)造腔進(jìn)度快速計(jì)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(shí)用的功能，大大降低了人工計(jì)算量，確保造腔設(shè)計(jì)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(jià)值。

鹽穴儲(chǔ)氣庫；造腔分析；造腔優(yōu)化；油墊壓力監(jiān)測

金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫，是中國鹽穴儲(chǔ)氣第一庫。在建庫之初，面對(duì)中國特有地質(zhì)特點(diǎn)和國情，由于經(jīng)驗(yàn)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(gè)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(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的整理分析變成一項(xiàng)繁瑣的任務(wù)。不僅數(shù)據(jù)的篩選困難，為了獲取某項(xiàng)造腔參數(shù)，還需要大量的手工計(jì)算，計(jì)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(shí)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(chǔ)氣庫造腔管理和分析的軟件。

1　系統(tǒng)架構(gòu)

鹽穴儲(chǔ)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(shí)際需求，對(duì)數(shù)據(jù)庫關(guān)系模式［1］進(jìn)行設(shè)計(jì)，規(guī)范數(shù)據(jù)存儲(chǔ)規(guī)則，降低數(shù)據(jù)冗余?？蛻舳瞬捎媚K化設(shè)計(jì)，根據(jù)生產(chǎn)需要和問題，設(shè)計(jì)多個(gè)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(jì)圖（見圖1）。

為了快速開發(fā)，客戶端選擇基于.net平臺(tái)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(jì)開發(fā)6大功能模塊，包括鹽穴地圖、造腔設(shè)計(jì)、造腔分析、聲納分析、注采運(yùn)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(gè)井位的大地坐標(biāo)，展示庫區(qū)各井相對(duì)位置以及各個(gè)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(gè)腔體的階段進(jìn)度和工程進(jìn)度，也具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(gè)腔體詳細(xì)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)；報(bào)告生成模塊，用于從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出各個(gè)腔體的綜合月報(bào)和日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)；聲納測量計(jì)劃模塊，可優(yōu)化安排各個(gè)腔體的聲納測量計(jì)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(duì)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(chǔ)氣庫造腔管理分析系統(tǒng)架構(gòu)

2.3造腔設(shè)計(jì)

它是造腔設(shè)計(jì)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(gè)階段的二維形狀，也可以展示多個(gè)階段疊加的二維形狀，為腔體偏溶分析和造腔設(shè)計(jì)提供參考。

2.5注采運(yùn)行

負(fù)責(zé)儲(chǔ)氣庫注采運(yùn)行監(jiān)控和注采數(shù)據(jù)查詢。注采運(yùn)行監(jiān)測內(nèi)容包括腔體壓力狀態(tài)、運(yùn)行氣量和庫容以及最近30 d壓力波動(dòng)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?qǐng)?bào)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?qǐng)?bào)采集各個(gè)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(dòng)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(jì)開發(fā)了造腔模擬器［2］。利用造腔模擬器，就可以為每個(gè)腔體的每日排鹵濃度提供一個(gè)理論值，利用排鹵濃度的理論值繪制一條與實(shí)際排鹵濃度同步的理論排鹵濃度曲線，通過對(duì)比兩條曲線的差異便可以及時(shí)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(chǔ)氣庫東注水站水溶建腔過程（見圖3）。在實(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)為單位計(jì)算）。與此同時(shí)，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(chǔ)氣庫水溶造腔示意圖

綜上所述，需要協(xié)調(diào)以下3個(gè)條件約束來實(shí)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(gè)約束的情況下，淡水消耗量與外輸量也會(huì)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(gè)注水口的循環(huán)模式；Xi2-第i個(gè)注水口的注入量，m3/h；Xi3-第i個(gè)注水口的注入工質(zhì)濃度，g/L；Xi4，Xi5-第i個(gè)注水口的內(nèi)、外管深度，m；Xi6-第i個(gè)注水口的排出鹵水去向；ci-第i個(gè)注水口的排鹵濃度，g/L，ci=C（Xi），Xi是一維向量；pi-第i個(gè)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(duì)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(duì)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(shí)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(dòng)力學(xué)管流理論與鹽巖蠕變理論相結(jié)合，準(zhǔn)確計(jì)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(chǔ)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(jì)算，降低勞動(dòng)強(qiáng)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(shí)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(shí)用。利用其進(jìn)度跟蹤及聲納計(jì)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(gè)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(huì)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(chǔ)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(shí)際，設(shè)計(jì)和開發(fā)鹽穴儲(chǔ)氣庫造腔管理分析系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)良好，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)冗余較少，采用模塊化設(shè)計(jì)，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(huì)效益，在鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)方面具有非常好的推廣價(jià)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.

［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(yōu)化計(jì)算方法［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)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(xué)學(xué)報(bào)，1999，21（6）：10-11.

［5］鄧乃揚(yáng).無約束最優(yōu)化計(jì)算方法［M］.科學(xué)出版社，1982.

TE822

A

1673-5285（2016）08-0059-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.08.014

2016-06-24