1、第 30卷第 1期 0 引言 近年来，我 国 天 然 气 产 量 逐 年 增 长 1。在 天 然 气的 供 应 与 消 费 之 间，一 直 存在 着 供 气 安 全 平 稳 与 消 费 非 基 于 腔 体 稳 定 性的 盐 岩 储 气 库 注 采方 案 优化 研究 周 军 1，胡承 强 1，彭井 宏 1，梁 光 川 1，黄 薪 宇 2，马 俊 杰 1，王 涛 1（1.西南 石 油 大 学 石 油与 天 然 气 工 程 学 院，四川 成 都 610500；2.中 国 石 油 西南 油气 田 公司 安 全 环保与 技术 监 督 研究 院，四川 成 都 610500）基金项目：国 家 自 然 科 学
2、 基 金青 年 科 学 基 金 项目“离散/网络 空 间 中 油气 管 网 设 计 优 化 方 法 和 体 系 结构研究”（51704253）摘 要 在 盐 岩 储 气 库 运 行 过 程 中，注 采 方 案 对 于 整 个 腔 体 的 稳定 性 具 有 很 大 的影响。若 采 用 不合 理 的 注 采 方 案，腔 体 围 岩 会 发 生 拉 张、膨胀 损 伤，长 此 以 往 会 导 致 腔 体 收 缩 率 增 加，库 容 减 小，甚 至 使整 个 储 气 库 失 效。为 保 障 储 气 库 的 运 行 稳定 性，文 中 建 立 了 以 腔 体 总 温 升 最 小 为 目 标 的 注 气 优
3、化 模 型 和 以 腔 体 总 压 降 最 小 为 目 标 的 采 气 优 化 模 型。模 型 以 单 井 日 注/采 气 量 作 为 决 策变 量，并 涉 及 日 注/采 气 总 量、腔 体 最 高/最 低 运 行 压 力 及 单 井 注/采 气 能 力 等 约 束 条件，将所 建 立 的 优 化 模 型 应 用 于 某 埋 藏 深 度为 1 000 m的 盐 岩 储 气 库，并采 用 通 用数 学 建 模 系统 GAMS 进 行 求解。优 化结 果 表 明，优 化 注 气 方 案 比 均 匀 注 气 方 案 的 腔 体 总 温 升 低 2.84 K，降 低 了 31.6%；优 化 采 气
4、方 案 比 均 匀 采 气 方 案 的 腔 体 总 压 降 低 0.553 MPa，降 低 了 12.7%。由 此 可 以 看 出，优 化 注 采 方 案 有 效 地 控制 了 运 行 过 程 中 腔 体 的温度 和 压 力 变 化 程 度，进一 步提 高 了 盐 岩 储 气 库 的 运 行 稳定 性。关键词 盐 岩 储 气 库；注 采 优 化；腔 体 损 伤；稳定 性 中图分类号：TE822 文献标志码：A收稿日期：2022 06 10；改回日期：2022 11 15。第一作者：周 军，男，1987年 生，副 教授，博 士，2010年 毕 业 于 中 国 石 油 大 学（北 京）油气储运 工
5、 程 专 业，现 从事 天 然 气 管 网 和 地 下 储气库的 优化 研究 工 作。E-mail：。引用格式：周 军，胡 承 强，彭 井 宏，等.基 于腔 体 稳定 性的 盐 岩储气库 注采 方 案 优化 研究 J.断块 油气 田，20 23，30（1）：161 167.ZHOU Jun，HU Chengqiang，PENG Jinghong，et al.Optimization of injection and production scheme of salt gas storage based on cavity stability J.Fault-BlockOil&GasField，
6、20 23，30（1）：161 167.Optimization of injection and production scheme of salt gas storage based on cavity stability ZHOU Jun 1,HU Chengqiang 1,PENG Jinghong 1,LIANG Guangchuan 1,HUANG Xinyu 2,MA Junjie 1,WANG Tao 1(1.Petroleum Engineering School,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.Sa
7、fety,Environmental Protection and Technology Supervision Institute,Southwest Oil and Gas Field Company,PetroChina,Chengdu 610500,China)Abstract:Duringtheoperationofsaltgasstorage,theinjectionandproductionschemehasagreatinfluenceonthestabilityofthewhole cavity.Ifanunreasonableinjectionandproductionsc
8、hemeisadopted,thesurroundingrockofthecavitywillbedamagedbytensionandexpansion,whichinthelongrunwillleadtotheincreaseoftheshrinkagerateofthecavity,thereductionofthestoragecapacity,andeven thefailureofthewholegasstorage.Inordertoensuretheoperationalstabilityofthegasstorage,theoptimizationmodelofgasinj
9、ection withthegoalofminimizingthetotaltemperatureriseofthecavityandtheoptimizationmodelofgasrecoverywiththegoalofminimizing thetotalpressuredropofthecavityareestablished.Themodeltakesthedailygasinjectionandproductionvolumeofasinglewellasthe decisionvariable,andinvolvestheconstraintssuchasthetotaldai
10、lygasinjectionandproductionvolume,themaximumandminimum operatingpressureofthecavityandthegasinjectionandproductioncapacityofasinglewell.Theoptimizedmodelisappliedtoasaltgasstoragewithaburialdepthof1,000m,andthegeneralmathematicalmodelingsystemGAMSisusedtosolvetheproblem.Theoptimization results show
11、that the total cavity temperature rise of the optimized gas injection scheme is 2.84 K lower than that of the uniform gasinjectionscheme,whichisreducedby31.6%.Comparedwiththeuniformgasrecoveryscheme,thetotalcavitypressureoftheoptimizedgasrecoveryschemeisreducedby0.553MPaand12.7%.Itcanbeseenthattheop
12、timizedinjectionandproductionschemecaneffectively control the temperature and pressure variation of the cavity during operation,and further improve the operational stability of salt gasstorage.Keywords:saltgasstorage;injectionandproductionoptimization;cavitydamage;stability 断 块 油 气 田 FAULT-BLOCKOIL
13、GAS FIELDdoi:10.6056/dkyqt2023010232023 年 1月断 块 油 气 田 2023年 1月 均 衡 性的 固 有 矛盾。解 决 这 一 矛盾 的 主 要 措 施 是 实 施 天 然 气储 备。储气库 具 有库 容 大、安 全 性 好、调 峰 能力 强 等 优 点，已 逐 渐 成为 世 界 天 然 气的 主 要 储 存 方式 2。根 据 国家 发 改 委 及 国家 能 源 局 联 合 印 发的发 改 能 源 规 划 2018 637号 关 于 加 快 储气 设 施 建 设 和完 善 储气 调 峰 辅 助 服务 市 场机 制 的 意 见，供 气 企 业 要 拥 有
14、 不 低 于 年 合 同 销售 量 10%的储气能力，城 镇 燃 气 企 业 形 成 不 低 于 年 用 气 量 5%的储气能力，地 方 政 府 的 日 均 储气能力（约 1%）至 少 达 到 可 供 用 户 使 用 72 h的 应 急 需 求 量。这 就 要 求 我 国 加 快 能 源 储 备 设 施 建 设，完 善 油气储 备 体系 3。储气库 可 以 分 为 枯 竭 油气藏储气库、含水层储气 库、盐 岩储气库以及 废弃 矿 坑 储气库。其中，盐 岩 具 有 渗 透 性低、结 构 致密 和 良好 蠕 变 行 为 等 特性，具 有 较 为 稳定 的力 学 性能（损 伤 与 损 伤 自 我 恢
15、复），能 适 应 储 存 压力的 变化，保 证 储 存洞/库的密 闭 性。国 际 上公 认 盐 岩 体 是 能 源（石 油、天 然 气）储 存 的 最 理 想 的 介 质 4 8。盐 岩储气库 主 要 形 成 于 地层 沉积 的 盐 丘 或 盐 岩层中，我 国 境 内 虽 含 盐 盆地多，岩 盐资源 丰 富 且 分 布 范 围 广，但 盐 矿 普遍 表 现 为层 状，具 有 矿 层多、单 层 薄、夹 层多、夹 层 厚、埋 层 过浅、埋 藏 过 深 等 特 点，盐 岩储气库 自 然 形 成的 几 率 很 低。基 于盐 岩 极 易 溶 于 水 这 一 特性，结 合 水 溶 采 矿 原 理，以 人
16、工 制溶 盐 的 方式 采出 卤 水，从 而 形 成储 存 天 然 气的地 下 设 施。但 地 下盐 岩 形 状 各 异，水 溶 建腔 形 成的 盐 岩储气库 结 构 众 多，表 现 为 不同 夹 层 数 量 及 厚 度，以及 椭 球 形、鸡蛋 形 等不同 形 状 9。此 外，盐 岩储气库 还 具 有 调 峰 效率 高、短 期 吞 吐 量 大、垫 底 气含 量 低 且 可完 全 回 收 等 优 点，不 仅 可 以 应 对 和 满 足 日、月、季 度 的 调 峰 需 求，也 有 助 于 生 产 系统 和 输 气 管 网 的 优化 与运 行 10 12。我 国 主 要 天 然 气 管 道 沿 线
17、均 发 现 盐 矿，如 西 气东 输 沿 线 的 河 南平 顶 山 盐 矿、湖 南 湘 衡 盐 矿，陕 京管 网沿 线 的 河 北 辛 集 宁 晋 盐 矿、陕 北 盐田，中 缅 天 然 气 管 道 沿 线 的 云南 安宁 盐 矿，川 渝 外 输 沿 线 的 四川 威 西 盐 矿 13等。可见，我 国 具 有 建 造 盐 岩储气库的 天 然 条件。盐 岩储气库 在建 造 过程 中，会 考虑 同 时 建 造 多 个 盐 岩 腔 体 以 满 足 调 峰 和 储气 需 求。在盐 岩储气库 优化 方面，许 多 学者 开展 了 相 关 研究，如 基 于 屈服 接 近 度 的 盐 岩储气库多 因素优化 14
18、、深 部 储气库 群 盐 层 蠕 变 参 数 优化 15、变形 稳定理 论 在盐 岩储气库 优化 设 计 中的 应 用 16、盐 岩储气库 注 气 排 卤 工 艺 参 数 的 数 值 模 拟 17 等。但这 些 研究 大 多 关 注盐 岩储气库 设 计 的 可 靠 性及 运 行 的 经 济 性，极 少 考虑 运 行 的 腔 体 稳定 性。因 此，开 展基 于盐 岩储气库 腔 体 稳定 性的 盐 岩储气库 注采 优化 研究 是 非 常 有 必 要 的。注采 的 不 稳定 性 会 影响 整 个 盐 岩储气库的 安 全 运 行，主 要表 现 在 不 合 理 的 注 气 速 率 导 致 腔 体 围 岩
19、 出 现 损 伤、腔 体 内 的 温度 和 压力 因 采 气 量 变化 而 产 生 的 腔 体 拉 张 及 膨胀 损 伤、腔 体 的 过 度 收 敛。为保 障 盐 岩储气库 长期 安 全 稳定 运 行，本 文 针 对以 腔 体 总 温 升 最 小 为 目 标 的 注 气 过程和 以 腔 体 总 压 降最 小 为 目 标 的 采 气 过程，建 立 注采 优化模 型，结 合 GAMS建 模系统 和 CONOPT 求 解 器，对 某 盐 岩储气库的 注采 方 案 进行了 优化 求 解 和 分析 探 讨，最 后 利 用 FLAC 3D模 拟 软 件进行了 优化 结果 验 证。1 数 学 模 型 储气库
20、的 主 要 功 能 是 调 节 用 户 用 气的 不均 匀 性，平 衡 天 然 气 供 需 方 之 间的 用 气 矛盾。盐 岩储气库的 注 采 过程 如 图 1所 示。盐 岩储气库 注采 运 行 过程 中，涉 及 到 合 理 决 策 不同 腔 体 的 单 日 注/采 气 量，需 确 定注 气 优 化模 型 和 采 气 优化模 型的 目 标 函数、约 束 条件 和 决 策 变 量。图 1 盐 岩 储 气 库 注 采 过 程示 意 Fig.1 Schematicdiagramduringgasinjectionandproductioninsaltgas storage 盐 岩储气库 大 多 都
21、采 用“单 腔 单 井”建 设 模式，将 地 下腔 体 看 作 一 个 系统，所 有 质 量 和 能 量 的 进 出 均 是 发 生 在 井 筒 与 腔 体 的连 接 处。盐 岩储气库 在 运 行 过程 中 涉 及的 参 数 众 多，若全 面 考虑 这 些参 数，则 建 立 的 模 型 会 非 常 复杂，故 对 盐 岩储气库的 部 分 参 数 和 运 行 状 态 进行 简 化，基 本 假 设如 下：该 盐 岩储气库 不 是 新 建 投 产 的，不 考虑 在 水 溶造 腔 的 过程 中 围 岩 形 成的“冷 带”；腔 内 流体 全 为 天 然 气，忽 略 腔 体 底部 的 盐 水；腔 内 的 天
22、 然 气 温度、压力 分 布 均 匀；气 体 在 井 筒 内 流 动的 过程 视 为 一 维 稳定 流 动。1.1 注 气 优化 模 型 1.1.1目 标 函数 注 气 过程 中，腔 内 的 温度 和 压力 随 着 注 气 量 的 增 162第 30 卷第 1期 加 而 增 加。温度 的 增 加会 导 致 腔 体 的库 容 量 减 小，并 且 可 能 会 导 致 腔 体 围 岩的 损 伤 产 生，影响 腔 体 的 稳定 性。因 此，为保 障 储气库 长期 安 全 稳定 运 行，以 注 气 过程 中 腔 体 的 总 温 升 最 小 为 目 标 函数，开展 优化 研究。min F 1=n i=1
23、T cav，i（1）T cav，i=C 0m inj-q inj，i t c v hA i+R q inj，i c v q inj，i-8 q 3inj，i 2d 4+R q inj，i T cav，0hA i+R q inj，i（2）1.1.2约 束 条件 1）储气库 日 注 气 总 量 的 约 束。盐 岩储气库 需 要 按 照 注 气 计 划 对 天 然 气 进行 储 存，因 此，储气库 日 注 气 总 量 应 为 各 个 腔 体 的 日 注 气 量之 和：Q inj=n i=1 q inj，i（3）2）注采 井 冲蚀 流 量 约 束。在注采 井 筒 中，若 注 气 速 率（即 日 注 气
24、 量）过 高，容易 发 生 冲蚀 现 象。因 此，日 注 气 量 要 小 于注采 井的 最 大 冲蚀 流 量 q e，i，即 q inj，i q e，i。q e，i=5.164 104A i p tf，i Z i T g，i g g 0.5（4）3）储气库 腔 体 的 最 高运 行 压力 约 束。储气库 在注 气 过程 中，压力 会 不 断 升 高，储气库 围 岩 所 受 压 应 力 增 大，过 高的运 行 压力 容易 发 生 围 岩 损 伤，因 此 需 要 对储 气库的运 行 压力 进行 约 束。p cav，i p cav，i，max（5）4）注采 井的 注 气能力 约 束。在 储气库运 行
25、 过程 中，注采 井的 注 入 量 也 将 受 到 限 制，最 大 注 入 量受 到 注采 井 口 的压力 限 制。当 注采 井 口 压力 最 大 时，对 应 得 到 最 大 的 注 气 量。考虑 某 个 腔 体 不进行 注 气 作 业 的 情况，注 采 井的 最 小 注 气 量 可 以为 0。注采 井的 注 气能力 约 束 条件 为 0 q inj，i q inj，i，max。q inj，i，max=p 2tf，i e 2s-p 2wf，i g d 5e 2s-g 11.324 10-18 f T g，i Z i（6）其中 s=0.034 15 g L T g，i Z i（7）1.1.3 决
26、 策 变 量 盐 岩储气库 注 气 过程 的 决 策 变 量 为 第 i 个 腔 体 的 单 井 日 注 气 量 q inj，i。1.2 采 气 优化 模 型 采 气 优化模 型与 注 气 优化模 型 类 似，即 采 气 过程 可 看 作 注 气 过程 的 逆 向流 动。采 气 过程 中，腔 体 内 的 温 度 和 压力 随 着 采 气 量 的 增 加 而 降 低，并 且 采 气 量 越 大，腔 内 温度 和 压力 下 降得 越 快，从 而 导 致 腔 体 发 生 拉 张、膨胀 损 伤，影响 腔 体 稳定 性，压力 下 降 还 会 导 致储气库 的库 容 量 减 小。因 此，在采 气 过程 中
27、，将 腔 体 总 压 降最 小 作 为 优化 目 标 函数（见 式（8）、式（9）。同 注 气 过程 类 似，储气库 受 满 足 调 峰 需 求 的 总 采 气 量 约 束、受 防 止 冲 蚀 现 象 发 生 的井 筒 冲蚀 流 量 约 束、受 防 止 低 内 压影响 腔 体 稳定 性的 最 低运 行 压力 约 束、受 满 足 管 输 最 小 压 力的 采 气能力 约 束，决 策 变 量 为 第 i 个 腔 体 的 单 井 日 采 气 量。min F 2=n i=1 p wit，i（8）p wit，i=R q wit，i t V g，i hA i+R q wit，i g hA i T 0-8
28、q 3wit，i 2d 4+T 0R q wit，i+8 q 3wit，i 2d 4 g q wit，i t m wit g hA i c v q wit，i+1（9）2 求 解 方 法 采 用 通 用 数 学 建 模系统 GAMS 对 建 立 的 盐 岩储 气库 注采 过程 的 优化 数 学 模 型 进行 求 解，可 以 得 到 各 个 腔 体 在注采 过程 中 最 佳 的 注/采 气 量。由 于建 立 的 盐 岩储气库 注采 优化模 型中含有 非 线 性 约 束 条件，因 此 该 优化模 型 属 于 非 线 性规 划 模 型（NLP 模 型）。针 对 NLP 模 型，在 GAMS 系统 中
29、 调用 适 用 于 该 类 问题 的 CONOPT 求 解 器 进行 求 解，而 在 求 解 过程 中，CONOPT求 解 器 将 采 用 广 义 简 约 梯 度法 进行 求 解。具 体 的 求 解 流 程 如 图 2所 示。3 盐 岩储气库 案 例 3.1 储 气 库 概 况 本 文 研究的 盐 岩储气库 埋 深 约 为 1 000 m，整 个 区 域 为 500 m 500 m 700 m，其中 盐 岩层 厚 度 为 200 m，泥岩 总厚 度 为 500m，平 均 分 布 在盐 岩层 两端（见图 3）。已 有研究成 果 表 明 18，腔 体形 状 为 鸡蛋 形 时，运 行 过程 中的 腔
30、 体变形 最 小，相 比于 其 他 形 状 的 腔 体 具 有 更 好 的 稳定 性。因 此 所 建 立 的研究 模 型 采 用 鸡蛋 形，即 腔 体 上 半部 分 为 椭 球 体，下 半部 分 为 球 体。椭 球 体长 径 为 70 m，短径 为 30 m，球 体 的 半 径 为 30 m。周 军，等.基 于腔 体 稳定 性的 盐 岩储气库 注采 方 案 优化 研究 163断 块 油 气 田 2023 年 1月 图 2 储 气 库 注 采优化 模 型 求 解 流 程 Fig.2 Solutionflowofgasstorageinjectionandproductionoptimizatio
31、nmodel 图 3 盐 岩 储 气 库 物理 模 型 示 意 Fig.3 Schematic diagram of physical model of salt gas storage 3.2 计算 参数 注 入 的 天 然 气有 8种 成 分（见 表 1），以 CH4为 主，含 少量 iC4和 nC4。注采 过程 设 计 注 入/采出 天 然 气的 总 量 为 400 104m 3/d。采 用天 然 气 物 性 参 数 计 算 公 式 可 以 计 算出 天 然 气的相对密 度 为 0.586 19。腔 体 基 础 参 数 如 表 2所 示。3号 腔 体 的 腔 体体 积 及井 筒 长 度
32、最 大，1号 腔 体 的 腔 体体 积 及井 筒 长 度 最 小，4个 腔 体 的井 筒 直 径 与井 筒 壁 粗 糙 度 均 相 同，分 别 为 177.8 mm 和 0.3mm。腔 体 最 大 冲蚀 流 量 由 式（4）计 算 得 到，腔 体 最 大 注/采 气 量 可 由 式（6）计 算 得 到。表 1 天然 气组 成 Table 1 Composition of natural gas 表 2 盐 岩 储 气 库 基 础 参数 Table 2 Basic parameters of salt gas storage 储气库 腔 体 注 气运 行 数据 见 表 3，注 气 温度 为 31
33、3.15 K。相 比 其 他 腔 体，4号 腔 体 的 注 气 初 始 温度 和 压力 最 低，腔 体体 积 仅 大 于 1号 腔 体。腔 体 最 大 注 气能 力 随 腔 体体 积 增 大 而 增 大，因 此 3号 腔 体 注 气能力 最 大，1号 腔 体 注 气能力 最 小。储气库 腔 体 采 气运 行 数据 见 表 4。4个 腔 体 的 采 气 初 始 压力及 初 始 温度 相 差 不 大，同样，由 于腔 体体 积 原 因，3号 腔 体 采 气能力 最 大，1号 腔 体 最 小。表 3 盐 岩 储 气 库腔 体 注 气 运 行 数 据 Table 3 Gas injection oper
34、ation data of salt gas storage cavity 表 4 盐 岩 储 气 库腔 体采 气 运 行 数 据 Table 4 Gas recovery operation data of salt gas storage cavity 4 结果和 讨 论 4.1 注 气 优化 结 果 4个 腔 体 的 均 匀 注 气 和 优化 注 气 结果见 表 5。均 匀 注 气 时，每 个 腔 体 的 日 注 气 量均 为 100 104m 3，其中 4号 腔 体 的 温 升 最 大，1号 腔 体 的 温 升 最 小，4个 腔 体 的 总 温 升 为 8.981 K。优化 注 气 后
35、，每 个 腔 体 日 注 气 量均 发 生 了 变化，2号 腔 体 最 大，为 164.16 104m 3，相 较均 匀 注 气 而 言，上 升 了 64.16%。值 得 注 意 的 是，当 以 注 气 过程 中的 腔 体 总 温 升 最 小 为 目 标 函数 进行 优化 时，4号 腔 体 未 进行 注 气 操 作，这 是 由 于 相 比 其 他 腔 体，4号 腔 体 的 注 气 初 始 温度 和 压力 均 最 低，随 日 注 气 量 的 增 加，其 温 升 范 围 较 大，而 注 气 阶 段 目 标 函数是 总 温 升 最 小，因 此 温 升 范 围 较 大 的 腔 体 将 减 少 注 气
36、或 者 停 止 注 气。采 用优化 注 气 方 案 的 腔 体 总 温 升 为 6.140 K，相 较 均 匀 注 气 时 的 腔 体 总 温 升减 小了 2.841 K。由 于腔 体 的 库 容 是 随 腔 体 温度 的 增 加 而 减 少 的，腔 内 天 然 气 温度 组 分 CH 4 C 2 C 3 iC 4 nC 4 CO 2 N 2 He 摩尔 分数/%94.70 0.55 0.08 0.01 0.01 1.92 2.71 0.02腔 体 编号 腔 体体 积/104m 31 18.842 20.51井 筒 长 度/m 1 0001 150腔 体 编号 34腔 体体 积/104m 32
37、3.3620.13井 筒 长 度/m 1 2051 010腔 体 编号 初 始 压力/MPa初 始 温度/K最 高 运 行 压力/MPa最 大 注 气能力/（104m 3 d-1）注 气 冲蚀 流 量/（104m 3 d-1）1 8.0 318.65 16.0 244.0 149.622 6.5 323.15 16.5 284.6 203.763 8.0 324.15 17.0 362.4 283.214 6.5 318.15 16.5 275.6 177.32腔 体 编号 初 始 压力/MPa初 始 温度/K最 低 运 行 压力/MPa最 大 采 气能力/（104m 3 d-1）采 气 冲蚀
38、 流 量/（104m 3 d-1）1 16.0 323.15 8.0 827 308.292 16.0 318.15 7.0 970 380.093 17.0 325.15 7.5 1 114 517.124 16.5 324.15 8.0 860 352.82164第 30卷第 1期 4.2 采 气 优化 结 果 均 匀 采 气 时，每 个 腔 体 的 日 采 气 量均 为 100 104m 3，1号 和 3号 腔 体 压 降 相 差 不 大，2号 和 4号 腔 体 压 降接 近。4个 腔 体 的 总 压 降 为 4.361 MPa，单 个 腔 体 压 降 范 围 在 0.9231.250
39、MPa。盐 岩储气库的 采 气 方 案 进 行 优化 后 的 结果 与 均 匀 采 气 结果 对 比 如 表 6 所 示。从 表 6 可 以 看 出，当 以 采 气 过程 中的 腔 体 总 压 降 最 小 为 目 标 函数 进行 优化 时，3号 腔 体 分 配 到 的 日 采 气 量 最 大，因 为 3号 腔 体 在 4个 腔 体 中的 采 气 初 始 温 度 和 压力 均 为 最 高，并 且 腔 体体 积 也 是 最 大。优化 后采 气 方 案 中的 4个 腔 体 的 总 压 降 为 3.808 MPa，相 较 于 均 匀 采 气 时 的 总 压 降，减 小了 0.553 MPa。压力 下
40、降会 导 致储气库的库 容 减 小，腔 体 内 压力 每 升 高 1 MPa，腔 体 库 容 约 增 加 约 6.72%。根 据 优化 采 气 结果，腔 体 的库 容 可 以 少 损失 3.72%。表 6 采 气结 果 对 比 Table 6 Comparisonofgasrecoveryresults 采 气 量 最 大 的 3号 腔 体，在采 气开 始 前，腔 内 气 体 已 与 围 岩 进行了充 分 的 换 热，此时 腔 内 气 体 与 围 岩 表 面 的 温度 均 取 储气库中 部 的地 温 323.65 K。在温度 和 压力 共 同 作用 下，日 采 气 量 为 159.84 104
41、m 3时，腔 体 每 升 高 1 K，腔 体 库 容 约减 少 0.32%。根 据 优化 注 气 结 果，腔 体 的库 容 可 以 少 损失 0.91%。表 5 注 气结 果 对 比 Table5 Comparisonofgasinjectionresults 为 验 证 优化 结果 的 可 行 性，利 用 FLAC 3D模 拟 软 件进行 腔 体 拉 张 及 膨胀 损 伤 研究。腔 体 的 拉 张 损 伤 是 指 腔 体 围 岩 在盐 岩储气库运 行 过程 中，受 到拉 应 力的 影响 而 产 生 的 损 伤，可 通 过 围 岩的 最 大主 应 力 进行 判 断。对 于 地 下盐腔 而 言，
42、当 围 岩的 最 大主 应 力 大 于 0时 可 以 判 断 已经 发 生 了 拉 张 损 伤。膨胀 损 伤 是 指 盐 岩 在 压力 和 温度 作用 下，盐 岩 内 部 产 生 微 裂 纹，宏 观 上 表 现 为 盐 岩 体 积 增 大，因 此称 为 膨胀 损 伤。本 文 使 用 线 性 膨 胀 操 作 判 别 指 标 判 断 围 岩的 膨胀 情况。1时，盐 岩 发 生 膨胀 损 伤；1时，盐 岩 不 会 发 生 膨胀 损 伤。注 气 量 最 大 的 2号 腔 体，在注 气 前，腔 内 气 体 已 与 围 岩 进行了充 分 的 换 热，此时 腔 内 气 体 与 围 岩 表 面 的 温度 均
43、取 储气库中 部 的地 温 323.65 K。在温度 和 压力 共 同 作用 下，日 注 气 量 为 164.16 104m 3时，腔 体 的 拉 张、膨胀 损 伤 云 图 如 图 4所 示。在 FLAC 3D软 件 中，规 定 岩 体 应 力 数 值 为 正 时 为 拉 应 力，数 值 为 负 时 为压 应 力。由 图 4可 知，在注 气 过程 中，腔 体 围 岩 均受 到 压 应 力的 作用，无 拉 应 力，最 大主 应 力 值 为-9.43 MPa，因 此 可 以 判 定，在 设 定 的 注 气 工 况 下，腔 体 围 岩 不 发 生 拉 张 损 伤。腔 体 围 岩 膨胀 操 作 判 别
44、 指 标 为 0.755，说 明 在注 气 过程 中 腔 体 围 岩 并 未 发 生 膨胀 损 伤，优化 结果 有 效。腔 体 编号 优化 注 气 日 注 气 量/104m 3温 升/K 日 注 气 量/104m 3温 升/K1 100 2.055 076.00 1.2472 100 2.060 164.16 2.5043 100 2.154 159.84 2.3894 100 2.712 000.00 0合 计 400 8.981 400.00 6.140均 匀 注 气 a 拉 张 损 伤 b 膨胀 损 伤 图 4 2 号 腔 体 拉 张 及 膨胀损 伤 云 图 Fig.4 Tensiona
45、ndexpansiondamagecloudmapofcavityNo.2腔 体 编号 优化 采 气 日 采 气 量/104m 3压 降/MPa 日 采 气 量/104m 3压 降/MPa 1 100 1.250 070.41 0.7682 100 0.963 073.78 0.7883 100 1.225 159.84 1.3534 100 0.923 95.97 0.899合 计 400 4.361 400.00 3.808均 匀 采 气 周 军，等.基 于腔 体 稳定 性的 盐 岩储气库 注采 方 案 优化 研究 165断 块 油 气 田 2023 年 1月 a 拉 张 损 伤 b 膨胀
46、 损 伤 图 5 3 号 腔 体 拉 张 及 膨胀损 伤 云 图 Fig.5 TensionandexpansiondamagecloudmapofcavityNo.3的 拉 张、膨胀 损 伤 云 图 如 图 5所 示。由 图 5可 知，在采 气 过程 中，腔 体 围 岩 均受 到 压 应 力的 作用，无 拉 应 力 存 在，最 大主 应 力为-9.42 MPa，因 此可 以 判 定，在 所设 定 的 采 气 工 况 下，腔 体 围 岩 不 发 生 拉 张 损 伤。腔 体 围 岩 膨 胀 操 作 判 别 指 标 为 0.770，说 明 在采 气 过程 中 腔 体 围 岩 并 未 发 生 膨胀
47、损 伤，优化 结果 有 效。5 结 论 1）以保 证 腔 体 稳定 性为 原 则，建 立 了 盐 岩储气库 注采 过程 中的 优化 数 学 模 型。注 气 过程 优化 目 标 函数 为 腔 体 的 总 温 升 最 小，采 气 过程 优化 目 标 函数 为 腔 体 的 总 压 降最 小。决 策 变 量 为 每 个 腔 体 的 日 注/采 气 量，建 立 的 注采 优化模 型 均 为 非 线 性规 划 模 型，采 用 通 用 数 学 建 模系统 GAMS 对 所 建 立 的 注采 优化 数 学 模 型 进行 求 解。2）将 优化 结果和 均 匀 注 气、采 气 时 的 数据 进行 对 比 发 现：
48、优化 注 气 后腔 体 的 总 温 升 比 均 匀 注 气 降 低 了 37.114 F，总 温 升 降 低 了 31.6%，腔 体 库 容 可 以 少 损 失 0.91%；优化 采 气 后 的 腔 体 总 压 降 比 均 匀 采 气 降 低 了 0.553 MPa，总 压 降降 低 了 12.7%，腔 体 库 容 可 以 少 损失 3.72%。证 明 所 建 立 的 注采 优化模 型能 够 在 保 证 地 下盐 岩储气库 腔 体 稳定 运 行 的 前提 下，有 效 减 小 储 气库库 容 的 损失。3）为 验 证 优化 结果 的 可 行 性，利 用 FLAC 3D 模 拟 软 件进行 腔 体
49、 拉 张 及 膨胀 损 伤 研究。选 取 优化 日 注/采 气 量 最 大 的 腔 体 进行 模 拟，得 到 腔 体 围 岩 最 大主 应 力 均小 于 0，无 拉 张 损 伤，腔 体 围 岩 膨胀 操 作 判 别 指 标 均 小 于 1，说 明 无 膨胀 损 伤，进 一 步 证 明了 优化 结果 的有 效 性。6 符 号 注 释 F 1为 注 气 过程 腔 体 总 温 升，K；T cav 为 单 个 腔 体 温 度 变化 量，K；i 为 腔 体 序 号；n 为 腔 体 个 数；C 0为 系 数；m inj 为 注 气开 始 时 腔 体 内 气 体质 量，kg；为气 体 密 度，kg/m3；t
50、 为 时 间，d；c v 为 定 容 比热 容，J/（kg K）；h 为气 体 的对 流 换 热 系 数，取 值 0.01 W/（m 2 K）；A i为 注采 井 的 截 面 积，m 2；R 为气 体 常 数，J/（mol K）；d 为井 筒 直 径，m；T cav，0为 腔 体 初 始 温度，K；Q inj 为储气库 日 注 气 总 量，m 3；p tf 为井 口 压力，MPa；Z i为气 体 压 缩 系 数；T g 为 气 体 温度，K；p cav 为 腔 体 压力，MPa；e 为 单位 质 量 变 化 所 携 带 的能 量，J/kg；p wf 为井 底 压力，MPa；f 为 摩 阻 系
