天然气地下储气库技术
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2/22/2021
第一章 天然气地下储气库技术概述
1.4 天然气地下储气库建设现状
我国地下储气库的建设远远落后于世界水平， 目前建成的只有两座：大庆喇嘛甸油田地下储气 库和大张坨地下储气库。大庆喇嘛甸油田地下储 气库的主要作用是平衡大庆油田内部用气的季节 不均衡性，天津大张坨地下储气库与陕—京输气 管道相连，以平衡北京市季节性用气不均衡性和 保障安全平稳供气为主要目的。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.5 天然气地下储气库技术研究现状
国外目前数值模拟已经成为指导各种类型储 气库运行的重要手段，而且正逐步与经济分析模 型和地质力学模型相结合，通过数值模拟，可以 达到在不增加储气费用的情况下，提高储气库的 储存能力及注采应变能力，建立储气库优化运行 模型，从而带来较大的经济效益。
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2/22/2021
第一章 天然气地下储气库技术概述
1.7 发展趋势
4）研制开发新的工艺和设备 长期以来，地下储气库地面气体处理方法与气田气体
处理方法没有什么区别。可是地下储气库的采气制度是 不固定的，其工艺指标昼夜间会发生很大变化，由人工 进行调整使其优化是不可能的。为了降低劳动强度，防 止在内部和外部指标发生变化时气体采集和处理系统出 现临界操作条件，需研究开发工艺过程的自动控制系统。 如：研制出口压力波动范围大的新式压缩机组；气并成 组连接情况下的输入管带模块；气流方向调节模块；压 力和处理量波动范围较大的初级分离装置；在小流量条 件下的再生装置等。
我国目前正在规划的储气库包括西气东输配套 工程—金坛盐穴储气库、中石化中原地区天然气 地下储气库、大张坨三期工程。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.5 天然气地下储气库技术研究现状
一个工程的好坏关键在于设计。对地下储气库一类的 大型工程，优化的思想必须贯穿于项目实施的整个过程。 采用优化设计的方法不仅可以使地下储气库更好的满足 建设要求，而且也可以有效降低工程投资及运行管理费 用。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.7 发展趋势
1）用惰性气体代替天然气作储气库的垫层气 地下储气库总容量中包括工作气（活动气）和垫层气
（残余气）两部分。垫层气的主要作用是使储气库在一 次抽气末期保持一定的压力、提高气井产量、抑制地层 水流动等。垫层气在储气库中是不能抽出的气体。迄今 为止在建库时都采用注入天然气作垫层气，这不仅大大 增加了地下储气库的初期投资，还沉积了大量的“死资 金”。以美国为例，1987年美国地下储气库中总垫层气 量达1080亿m3。按天然气矿场平均每$60/1000m3， 当年垫层气长期沉积的资金达64亿美元。
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天然气地下储气库技术
第一章 地下储气库技术概述
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.1 天然气地下储气库技术研究的意义
在天然气工业体系中，天然气储运设施是联 系天然气生产与使用的纽带，是将开采出来并 经净化处理达标的合格天然气提交给用户的不 可或缺的中间环节。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.6 存在的问题
经济及综合分析问题 我国地下储气库的论证主要还是在技术上可行
的层面上，提出几种方案中部分方案由于在技术 上不可行就否定掉了。剩下的方案经过简单的经 济论证就确定了最后的方案。这种做法有可能会 遗漏最优的方案。另外，地下储气库的影响因素 很多，应该权衡各方面的因素进行综合评价。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.7 发展趋势
3）建设生产效率高、可靠性好的气井 建设高气密性气井的施工工艺是提高地下储气
库生产能力的重要条件。目前围绕这一间题的研 究课题有：采用由膨胀水泥制作的不缩水套管柱 和生产套管；采用气密性好的管予和合理的气井 结构；研究既能钻开储层又能避免井底地带泥浆 污染的新的钻井工艺；改进井底施工工艺，采用 不含粘土溶液扩大井底附近地带；研究向储气库 下部地层夹层注气的技术工艺，防止气体渗漏到 圈闭层外，增大工作气体积等。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.4 天然气地下储气库建设现状
自1915年加拿大利用枯竭气藏建成世界上第 一个地下储气库以来，地下储气库已经经历了近 90年的发展历程。目前全世界地下储气库的总容 量已经超过5.0×1011m3。美国、欧洲及前苏联 等国家建设了大量的地下储气库。单美国从上世 纪90年代到现在就新建了近50坐地下储气库， 使得其储气库库容总量达到了2.5×1011m3的规 模。地下储气库储存的天然气满足了美国全年天 然气总需求量的1/3。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.7 发展趋势
1）用惰性气体代替天然气作储气库的垫层气 因此，美国、前苏联等一些地下储气库比较发达的国
家，从上世纪70年代开始，就如何减少储气库中的垫层 气量、采用惰性气体、氮气、二氧化碳或压气机组废气 等代替天然气作储气库垫层气，开展了广泛而大量的研 究工作，并取得了可喜的成绩。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
Figure 3 Types of Underground Storage
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第一章 天然气地下储气库技术概述
Figure 4 Development of a Salt Cavern for Natural Gas Storage
在天然气供应与消费之间，一直存在着可靠、 安全、平稳、连续供气பைடு நூலகம்消费需求量季节、昼 夜、小时不均衡性的固有矛盾。解决这一矛盾 的主要措施是实行天然气储备。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.1 天然气地下储气库技术研究的意义 地下储气库容量大，储气压力高，储气成本
低，是当今世界天然气的主要储存方式。天然气 地下储气库已经成为天然气输配系统的重要组成 部分，是季节安全调峰，确保连续平稳供气的重 要工程。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.7 发展趋势
2）实现地下储气库工艺设计统一化和标准化 前苏联在这方面得了大量的研究成果，先后为地下储
气库地面站的配气、气体收集与处理、气井产品计量、 气体干燥、低温分离等开发出了标准化的工艺流程，并 各自组成一个独立的模块，从而使储气库的建设从个别 设计转到标准化设计上来，使设备由单个制造转为成批 生产，最大限度地采用早先为气田建设新开发的标准技 术方寨和工厂整体组装式设备。实现地下储气库工艺设 计的统一化和标准化，可最大限度地减少设计部门之间 的协调工作，简化一系列的工艺计算。这是加快建库速 度，缩短建库周朔，提高建库质量的重要措施之一。
减少地下储气库中垫层气量，增大工作气量，用惰性 气体作垫层气，已成为降低地下储气库投资和运行费用 的最主要的发展方向。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.7 发展趋势
2）实现地下储气库工艺设计统一化和标准化
仅管地下储气库按地质对象分为衰竭油气藏型、含水 层型和盐穴型几种类型，且它们的地质物理参数各不相 同，但在储气库建设方面它们仍具有一些共同的特性。 如为了制订建库方案，都必须掌握如下一些原始资料： 储气库的矿藏类型，生产井和注气井的数量和产量、昼 夜抽气量和注气量、抽出气体温度和压力、注气压力、 储气库地质层（储层）数、采出气休组分（凝析液和水 分含量）等。它们都以某种方式影响技术方案的确定。 对各种地下储气库而言，天然气采集、分配和处理工艺 设计上的区别并不在原理上，而在具体构成和设备上。 这就为地下储气库的建设从工艺流程设计到设备选择实 现技术方案的统一化、标准化提供了可能性。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.3 天然气地下储气库的类型
储气库主要有以下几类： 枯竭油气藏型（Depleted Reservoirs） 地下含水层型（Aquifers） 盐穴型（Salt Caverns） 煤矿矿井型（Mines） 溶洞型（Hard-Rock Caverns）
随着我国天然气产量的进一步增加以及其在 工业和日常生活中的日趋普遍，完善天然气管网、 建造地下储气库已经成为发展我国天然气工业的 紧迫课题。对地下储气库技术进行研究正是基于 此背景提出来的。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.1 天然气地下储气库技术研究的意义
我国上世纪90年代开始了大规模的天然气管 网建设工程：陕—京线的贯通、西气东输管道工 程的实施，中原地区天然气管网以及陕—京二线 的规划建设将对我国天然气管网及消费布局产生 重大影响。为了解决我国华东地区、中原地区以 及北京市天然气供需之间的矛盾，这些管网工程 都配套规划了天然气地下储气库工程。因此，对 地下储气库技术进行研究具有非常重要的现实意 义。
地下储气库技术涉及地质、气藏工程、采气、天然气 集输与净化、天然气管道输送和城市配气方面的相关理 论知识，而地下储气库优化设计及模拟技术是地下储气 库技术的核心。在国外，优化及数值模拟技术已经成为 地下储气库建设必不可少的手段。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.5 天然气地下储气库技术研究现状
专题讲座
天然气地下储气库技术
2/22/2021
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提纲
1 天然气地下储气库技术概述 2 天然气地下储气库的选型及库址的选择 3 地下储气库库容的确定 4 地下储气库注采动态数值模拟 5 地下储气库的优化设计 6 地下储气库地面工艺技术 7 地下储气库系统仿真及优化运行 8 相关建议
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.2 天然气地下储气库的作用
调节供气不均匀性的最有效手段；show 提高供气的可靠性和连续性； 提高管线利用系数和输气效率，降低输气成 本和输气系统的投资费用； 能为国家和石油公司提供原料和燃料的战略 储备。 在新的石油和凝析油开采区，能保存暂时不 可利用的石油气；对老采油区，有助于提高原 油采收率。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.6 存在的问题
地面工程对储气库建设的影响问题 一般气田的开发中，输气系统的建设服从于气
田开发方案的要求和限制，而地下储气库系统作 为天然气输配系统的一个子系统，其建设应服从 于输配系统建设的要求，其工作特性受到输配系 统工况的影响，其也反过来影响输配系统的工况。 储气库的模拟和优化应该充分考虑这种影响。因 此，应当将储气库系统和输气干线系统看成一个 整体加以分析。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.6 存在的问题
未形成完整的理论方法体系，没有制定相关的 国家和行业标准
我国科技人员对储气库技术的研究目前还处在对国外 资料的消化吸收的层面。在储气库数值模拟及管网仿真 方面做了一些研究，对根据下游用户工况来确定储气库 库容特别是对多个城市和大区域供气系统调峰储气量如 何计算没有具体的方法可循，优化运行方面有一些研究 但没有得到具体的论证。没有一本完整介绍地下储气库 综合技术的资料，没有形成完整的理论方法体系，没有 制定相关标准，设计显得比较无序。
20世纪70年代，国外开始应用数值模拟来研究地 下储气库从建造到注采动态运行的整个过程，美国、 德国、丹麦、意大利等国家根据不同类型储气库和 不同流动过程、地质地层以及气体种类的差异性， 提出了相应的数学模型，为储气库的实际运行提供 了理论依据，以达到经济高效地控制地下储气库的 目的。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.5 天然气地下储气库技术研究现状
储气库模拟基本数学模型
三维气流模型 定容无水驱封闭型枯竭气藏。
三维气水置换模型 带水驱的枯竭气藏储气库、地下含水层储气库。
三维气体混合模型 考虑了气体的渗流、注入气与垫底气之间的混合、对流和扩
散等问题。 二维气油混合模型
枯竭油藏型，考虑气油两相流动和相互传质问题
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.5 天然气地下储气库技术研究现状
大庆喇嘛甸油田地下储气库从1975投产到90年只 采不注，因此没有进行优化及数值模拟方面的研究 。 “八五”期间，华北油田对北京地区建设天然气 地下储气库的可行性进行了研究，“九五”期间又 承担了总公司重点科技工程项目“天然气地下储气 库注采技术研究”。研究成果对储气库工程的建设 具有一定的指导意义。大张坨地下储气库为了保证 凝析液的采收率、估计油环和边水以及凝析液对储 气库的影响，采用了凝析气藏数值模拟模型进行了 模拟。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.4 天然气地下储气库建设现状
我国地下储气库的建设远远落后于世界水平， 目前建成的只有两座：大庆喇嘛甸油田地下储气 库和大张坨地下储气库。大庆喇嘛甸油田地下储 气库的主要作用是平衡大庆油田内部用气的季节 不均衡性，天津大张坨地下储气库与陕—京输气 管道相连，以平衡北京市季节性用气不均衡性和 保障安全平稳供气为主要目的。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.5 天然气地下储气库技术研究现状
国外目前数值模拟已经成为指导各种类型储 气库运行的重要手段，而且正逐步与经济分析模 型和地质力学模型相结合，通过数值模拟，可以 达到在不增加储气费用的情况下，提高储气库的 储存能力及注采应变能力，建立储气库优化运行 模型，从而带来较大的经济效益。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.7 发展趋势
4）研制开发新的工艺和设备 长期以来，地下储气库地面气体处理方法与气田气体
处理方法没有什么区别。可是地下储气库的采气制度是 不固定的，其工艺指标昼夜间会发生很大变化，由人工 进行调整使其优化是不可能的。为了降低劳动强度，防 止在内部和外部指标发生变化时气体采集和处理系统出 现临界操作条件，需研究开发工艺过程的自动控制系统。 如：研制出口压力波动范围大的新式压缩机组；气并成 组连接情况下的输入管带模块；气流方向调节模块；压 力和处理量波动范围较大的初级分离装置；在小流量条 件下的再生装置等。
我国目前正在规划的储气库包括西气东输配套 工程—金坛盐穴储气库、中石化中原地区天然气 地下储气库、大张坨三期工程。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.5 天然气地下储气库技术研究现状
一个工程的好坏关键在于设计。对地下储气库一类的 大型工程，优化的思想必须贯穿于项目实施的整个过程。 采用优化设计的方法不仅可以使地下储气库更好的满足 建设要求，而且也可以有效降低工程投资及运行管理费 用。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.7 发展趋势
1）用惰性气体代替天然气作储气库的垫层气 地下储气库总容量中包括工作气（活动气）和垫层气
（残余气）两部分。垫层气的主要作用是使储气库在一 次抽气末期保持一定的压力、提高气井产量、抑制地层 水流动等。垫层气在储气库中是不能抽出的气体。迄今 为止在建库时都采用注入天然气作垫层气，这不仅大大 增加了地下储气库的初期投资，还沉积了大量的“死资 金”。以美国为例，1987年美国地下储气库中总垫层气 量达1080亿m3。按天然气矿场平均每$60/1000m3， 当年垫层气长期沉积的资金达64亿美元。
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天然气地下储气库技术
第一章 地下储气库技术概述
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.1 天然气地下储气库技术研究的意义
在天然气工业体系中，天然气储运设施是联 系天然气生产与使用的纽带，是将开采出来并 经净化处理达标的合格天然气提交给用户的不 可或缺的中间环节。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.6 存在的问题
经济及综合分析问题 我国地下储气库的论证主要还是在技术上可行
的层面上，提出几种方案中部分方案由于在技术 上不可行就否定掉了。剩下的方案经过简单的经 济论证就确定了最后的方案。这种做法有可能会 遗漏最优的方案。另外，地下储气库的影响因素 很多，应该权衡各方面的因素进行综合评价。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.7 发展趋势
3）建设生产效率高、可靠性好的气井 建设高气密性气井的施工工艺是提高地下储气
库生产能力的重要条件。目前围绕这一间题的研 究课题有：采用由膨胀水泥制作的不缩水套管柱 和生产套管；采用气密性好的管予和合理的气井 结构；研究既能钻开储层又能避免井底地带泥浆 污染的新的钻井工艺；改进井底施工工艺，采用 不含粘土溶液扩大井底附近地带；研究向储气库 下部地层夹层注气的技术工艺，防止气体渗漏到 圈闭层外，增大工作气体积等。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.4 天然气地下储气库建设现状
自1915年加拿大利用枯竭气藏建成世界上第 一个地下储气库以来，地下储气库已经经历了近 90年的发展历程。目前全世界地下储气库的总容 量已经超过5.0×1011m3。美国、欧洲及前苏联 等国家建设了大量的地下储气库。单美国从上世 纪90年代到现在就新建了近50坐地下储气库， 使得其储气库库容总量达到了2.5×1011m3的规 模。地下储气库储存的天然气满足了美国全年天 然气总需求量的1/3。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.7 发展趋势
1）用惰性气体代替天然气作储气库的垫层气 因此，美国、前苏联等一些地下储气库比较发达的国
家，从上世纪70年代开始，就如何减少储气库中的垫层 气量、采用惰性气体、氮气、二氧化碳或压气机组废气 等代替天然气作储气库垫层气，开展了广泛而大量的研 究工作，并取得了可喜的成绩。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
Figure 3 Types of Underground Storage
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第一章 天然气地下储气库技术概述
Figure 4 Development of a Salt Cavern for Natural Gas Storage
在天然气供应与消费之间，一直存在着可靠、 安全、平稳、连续供气பைடு நூலகம்消费需求量季节、昼 夜、小时不均衡性的固有矛盾。解决这一矛盾 的主要措施是实行天然气储备。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.1 天然气地下储气库技术研究的意义 地下储气库容量大，储气压力高，储气成本
低，是当今世界天然气的主要储存方式。天然气 地下储气库已经成为天然气输配系统的重要组成 部分，是季节安全调峰，确保连续平稳供气的重 要工程。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.7 发展趋势
2）实现地下储气库工艺设计统一化和标准化 前苏联在这方面得了大量的研究成果，先后为地下储
气库地面站的配气、气体收集与处理、气井产品计量、 气体干燥、低温分离等开发出了标准化的工艺流程，并 各自组成一个独立的模块，从而使储气库的建设从个别 设计转到标准化设计上来，使设备由单个制造转为成批 生产，最大限度地采用早先为气田建设新开发的标准技 术方寨和工厂整体组装式设备。实现地下储气库工艺设 计的统一化和标准化，可最大限度地减少设计部门之间 的协调工作，简化一系列的工艺计算。这是加快建库速 度，缩短建库周朔，提高建库质量的重要措施之一。
减少地下储气库中垫层气量，增大工作气量，用惰性 气体作垫层气，已成为降低地下储气库投资和运行费用 的最主要的发展方向。
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1.7 发展趋势
2）实现地下储气库工艺设计统一化和标准化
仅管地下储气库按地质对象分为衰竭油气藏型、含水 层型和盐穴型几种类型，且它们的地质物理参数各不相 同，但在储气库建设方面它们仍具有一些共同的特性。 如为了制订建库方案，都必须掌握如下一些原始资料： 储气库的矿藏类型，生产井和注气井的数量和产量、昼 夜抽气量和注气量、抽出气体温度和压力、注气压力、 储气库地质层（储层）数、采出气休组分（凝析液和水 分含量）等。它们都以某种方式影响技术方案的确定。 对各种地下储气库而言，天然气采集、分配和处理工艺 设计上的区别并不在原理上，而在具体构成和设备上。 这就为地下储气库的建设从工艺流程设计到设备选择实 现技术方案的统一化、标准化提供了可能性。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.3 天然气地下储气库的类型
储气库主要有以下几类： 枯竭油气藏型（Depleted Reservoirs） 地下含水层型（Aquifers） 盐穴型（Salt Caverns） 煤矿矿井型（Mines） 溶洞型（Hard-Rock Caverns）
随着我国天然气产量的进一步增加以及其在 工业和日常生活中的日趋普遍，完善天然气管网、 建造地下储气库已经成为发展我国天然气工业的 紧迫课题。对地下储气库技术进行研究正是基于 此背景提出来的。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.1 天然气地下储气库技术研究的意义
我国上世纪90年代开始了大规模的天然气管 网建设工程：陕—京线的贯通、西气东输管道工 程的实施，中原地区天然气管网以及陕—京二线 的规划建设将对我国天然气管网及消费布局产生 重大影响。为了解决我国华东地区、中原地区以 及北京市天然气供需之间的矛盾，这些管网工程 都配套规划了天然气地下储气库工程。因此，对 地下储气库技术进行研究具有非常重要的现实意 义。
地下储气库技术涉及地质、气藏工程、采气、天然气 集输与净化、天然气管道输送和城市配气方面的相关理 论知识，而地下储气库优化设计及模拟技术是地下储气 库技术的核心。在国外，优化及数值模拟技术已经成为 地下储气库建设必不可少的手段。
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1.5 天然气地下储气库技术研究现状
专题讲座
天然气地下储气库技术
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提纲
1 天然气地下储气库技术概述 2 天然气地下储气库的选型及库址的选择 3 地下储气库库容的确定 4 地下储气库注采动态数值模拟 5 地下储气库的优化设计 6 地下储气库地面工艺技术 7 地下储气库系统仿真及优化运行 8 相关建议
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.2 天然气地下储气库的作用
调节供气不均匀性的最有效手段；show 提高供气的可靠性和连续性； 提高管线利用系数和输气效率，降低输气成 本和输气系统的投资费用； 能为国家和石油公司提供原料和燃料的战略 储备。 在新的石油和凝析油开采区，能保存暂时不 可利用的石油气；对老采油区，有助于提高原 油采收率。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.6 存在的问题
地面工程对储气库建设的影响问题 一般气田的开发中，输气系统的建设服从于气
田开发方案的要求和限制，而地下储气库系统作 为天然气输配系统的一个子系统，其建设应服从 于输配系统建设的要求，其工作特性受到输配系 统工况的影响，其也反过来影响输配系统的工况。 储气库的模拟和优化应该充分考虑这种影响。因 此，应当将储气库系统和输气干线系统看成一个 整体加以分析。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.6 存在的问题
未形成完整的理论方法体系，没有制定相关的 国家和行业标准
我国科技人员对储气库技术的研究目前还处在对国外 资料的消化吸收的层面。在储气库数值模拟及管网仿真 方面做了一些研究，对根据下游用户工况来确定储气库 库容特别是对多个城市和大区域供气系统调峰储气量如 何计算没有具体的方法可循，优化运行方面有一些研究 但没有得到具体的论证。没有一本完整介绍地下储气库 综合技术的资料，没有形成完整的理论方法体系，没有 制定相关标准，设计显得比较无序。
20世纪70年代，国外开始应用数值模拟来研究地 下储气库从建造到注采动态运行的整个过程，美国、 德国、丹麦、意大利等国家根据不同类型储气库和 不同流动过程、地质地层以及气体种类的差异性， 提出了相应的数学模型，为储气库的实际运行提供 了理论依据，以达到经济高效地控制地下储气库的 目的。
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.5 天然气地下储气库技术研究现状
储气库模拟基本数学模型
三维气流模型 定容无水驱封闭型枯竭气藏。
三维气水置换模型 带水驱的枯竭气藏储气库、地下含水层储气库。
三维气体混合模型 考虑了气体的渗流、注入气与垫底气之间的混合、对流和扩
散等问题。 二维气油混合模型
枯竭油藏型，考虑气油两相流动和相互传质问题
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第一章 天然气地下储气库技术概述
1.5 天然气地下储气库技术研究现状
大庆喇嘛甸油田地下储气库从1975投产到90年只 采不注，因此没有进行优化及数值模拟方面的研究 。 “八五”期间，华北油田对北京地区建设天然气 地下储气库的可行性进行了研究，“九五”期间又 承担了总公司重点科技工程项目“天然气地下储气 库注采技术研究”。研究成果对储气库工程的建设 具有一定的指导意义。大张坨地下储气库为了保证 凝析液的采收率、估计油环和边水以及凝析液对储 气库的影响，采用了凝析气藏数值模拟模型进行了 模拟。