本发明涉及一种天然气长周期调峰方法，具体地，本发明涉及一种调整向煤层气储层注入氮气的时间、注氮压力、注氮速率，从而调整煤层气井产量，使煤层气井在用气高峰期间高产，满足用气需要，在用气低谷期间低产，减小对调峰储气库工作气量的需求，达到不建设或少建设调峰储气库、节省基建成本、减少调峰储气库运行费用、满足供气平衡、保证用气安全之目的。
背景技术：
天然气和水以及电一样，有一个高峰使用时段和低谷使用时段问题。一年中不同的月份、每月中不同的日期、每日中不同的小时，供气量都有变化。从一年来看，通常冬天由于天然气取暖，造成冬季天然气使用量大，甚至能达到夏季的很多倍。例如，北京冬季日用气量高达5000千万立方米，而夏季则只有3百万立方米。一天中，白天的用气量通常比夜晚要高。近年来，由于城市中天然气中央空调越来越普及，城市白天用气量能够比夜晚用气量高几倍。如果天然气使用高峰与低谷过大，会造成天然气使用、存储和运输等一系列问题。天然气调峰就是采取主动手段，在用气低谷时将天然气储存起来，在用气高峰时再释放出来；或者通过增加低谷时客户用气量，降低天然气用量峰谷比；以满足供气平衡，适应不同时间段用气量的变化，保证用气安全。
天然气调峰分长周期(季度、月份)调峰和短周期(日、小时)调峰。长周期调峰应对季节性、月份性天然气用量高峰和低谷，例如，由于使用天然气取暖造成冬季用气高峰和夏季用气低谷。短周期调峰应对一周中不同日期、一天中不同时段天然气用气量的变化，例如，周末与工作日用气量差别、昼夜用气量差别。
当前国内、外天然气长周期调峰主要通过建设地下储气库来解决；短中期调峰则通过液化天然气(LNG)、高压球罐储气、高压输气管网的末端储气等方式解决。同石油储备相比，天然气具有储存难、储存设施基建成本高、运行(储存)成本高的特点。表1列出了各类天然气调峰储气设施造价以及部分类别设施的运行费用。长周期调峰使用的地下储气库一般储气量为亿立方米数量级或更大，基建投资在数亿元至数十亿元，投产后的年度运行费用在千万元至亿元数量级。例如，中国石油规划总院为长江三角洲地区设计的一个地下储气库(盐 穴库)，调峰量6.66亿立方米，总投资需要15.76亿元，建成后日常运行成本需0.46元/m3，每年需要储气(调峰)费3.06亿元(参见中国石油规划总院，“浅谈液化天然气调峰”，2015年，百度文库，http://wenku.baidu.com/view/1ce3e458ad51f01dc381f102.html)。
表1各类天然气调峰储气设施造价及运营成本
[1]徐正康，张宝金，乔珩.2005.城市天然气调峰的探讨.煤气与热力，25(4):44-47
[2]洪丽娜，陈保东，韩莉，李庆杰，万书斌.2009.城市燃气储气调峰方式的选择与分析.2009(6):54-57
[3]李光.1991.管束储气与高压球罐储气的比较.煤气与热力，1991(2):54-57
中国产业升级和环境保护需要相应的能源升级，需要用天然气替代一部分煤炭能源。近年来，中国天然气消费量呈稳定大幅上升趋势，并且预测天然气消费量将继续以更大的幅度增加，见图1(参见佚名，“2014年我国天然气利用行业概况及现状分析”，http://www.chinabgao.com/k/tianranqi/12475.html)(又参见佚名，“2007-2013年世界各国天然气消费量”，http://www.flyhero.com/a/zixun/yejiezixun/2014/0623/14388.html)。按照世界发达国家通行的标准——天然气储气库工作气量应当达到天然气总消费量的20％——计算，2015年我国储气库工作气量应该达到410亿立方米，2030年应该达到818亿立方米。截止到2014年底，我地下储气库20座，设计工作气量总计151亿立方米，调峰缺口259亿立方米。今后十几年，随着用气量增加,所需调峰量，特别是长周期调峰量，也将逐渐增加。
鉴于已有调峰储气库工作气量与供气安全要求之间巨大的差距，即便加快天然气储气库建设力度，短期内难以快速大幅增大天然气储备规模，调峰缺口可能越来越大。鉴于长周 期调峰储气库建设所需的巨额投资、漫长的建设周期、高昂的日常运作成本，调峰缺口率有可能继续增大越大。因此，有必要发展调峰方法，特别是长周期调峰方法。
本发明调整向煤层气储层注入氮气的时间、注氮压力、注氮速率，从而调整煤层气井产量，使煤层气井在用气高峰期间高产，满足用气需要，在用气低谷期间低产，减小对调峰储气库工作气量的需求，达到不建设或少建设调峰储气库、节省基建成本、减少调峰储气库运行费用、满足供气平衡、保证用气安全之目的。
技术实现要素：
本发明涉及一种天然气长周期调峰方法，具体地，本发明涉及一种调整向煤层气储层注入氮气的时间、注氮压力、注氮速率，从而调整煤层气井产量，使煤层气井在用气高峰期间高产，满足用气需要，在用气低谷期间低产，减小对调峰储气库工作气量的需求，达到不建设或少建设调峰储气库、节省基建成本、减少调峰储气库运行费用、满足供气平衡、保证用气安全之目的。
本发明是采用以下技术手段实现的：
一种天然气长周期调峰方法，其特征在于：调整向煤层气储层注入氮气的时间、注氮压力、注氮速率，从而调整煤层气井产量，使煤层气井在用气高峰期间高产，满足用气需要，在用气低谷期间低产，减小对调峰储气库工作气量的需求，包括以下步骤和技术：
(a)调峰调度在调峰降产开始日期之前发出停注限注调峰指令，包括如下内容：执行停注限注调峰指令的公司和煤层气区块、调峰降产开始日期、调峰降产结束日期、调峰期间的甲烷和其他烃类气体日产量、累计产量、产量降低幅度；
(b)计算停注限注调峰期间煤层气井井区范围内煤层气储层中的氮气向顶板、底板围岩和井区外煤层扩散、生产井排放甲烷和氮气混合气体等因素造成的煤层气储层损失的氮气数量V氮气损失；
(c)估算煤层中赋存自由态氮气的空间的体积V煤孔隙；
(d)根据煤层气储层损失的氮气数量V氮气损失和煤层中赋存自由态氮气的空间的体积V煤孔隙，使用实际气体状态方程，预测停注限注调峰期间煤层气储层压力降低幅度P预期压降；
(e)估算在保持煤层气储层压力大于煤层静水压力P静水压力条件下，允许的煤层气储层压力降低的幅度P允许压降；
(f)如果P预期压降大于P允许压降，采取措施保证停注限注调峰期间煤层气储层压力大于煤层静水压力：
(g)根据煤层气区块地质构造、地下水系等，制定注氮井停止注氮的顺序和时间表；；
(h)根据煤层气区块地质构造、地下水系、生产井产量和压力历史变化等，制定生产井减产的顺序、减产量、时间表；
(i)按照步骤(g)制定的注氮井停止注氮的顺序和时间表和步骤(h)制定的生产井减产的顺序、减产量以及时间表，停止注氮井注氮作业，逐步调减生产井气体产量，在调峰降产开始之日将生产井产量降低到停注限注调峰指令规定的日产量；
(j)在停注限注调峰期间，注氮井停止注氮，只有在特别需要时改停止注氮为限制注氮；
(k)在停注限注调峰期间，监测生产井井口压力、产气量、甲烷浓度；
(l)在停注限注调峰期间，在生产井井口压力下降到接近静水压力时，改停止注氮为限制注氮；
(m)自停注限注调峰指令规定的调峰降产结束日期起，按照步骤(g)制定的注氮井停止注氮的顺序和时间表，按相反是顺序和时间恢复注氮；
(n)自停注限注调峰指令规定的调峰降产结束日期起，按照步骤(h)制定的生产井减产顺序、减产量以及时间表，按相反的顺序、产量、时间，调增生产井产量。
所谓限制注氮包括单个或多个注氮单元短时间内恢复注氮，整个区块短时间内恢复注氮，和以较低压力和较小注氮速率注氮。
所述的实际气体状态方程包括范德瓦尔斯(Van der Waals)方程、维里(virial)方程、R-K(Redlich-Kwong)方程。
为保证停注限注调峰期间煤层气储层压力大于煤层静水压力而采取措施是，在实施停注限注调峰指令之前的调峰准备阶段，增大注氮井注氮压力、注氮速率，增大煤层气储层压力，从而增大P允许压降；或者在停注限注调峰期间，将生产井产量调减至小于停注限注调峰指令规定的日产量，从而减小P预期压降；或者在停注限注调峰期间，间歇性注氮，保持煤层气储层压力大于煤层静水压力。
本发明与现有调峰方法相比，具有以下明显的有益效果和优势：
使用本发明能够不建设或少建设调峰储气库，因而能够节省调峰储气库基建成本。
使用本发明不发生调峰储气库运行费用，以节省的调峰储气库运行费用补贴煤层气开发公司降产的损失。
使用本发明虽然限制了用气低谷期间煤层气井产量，但是停注限注氮气有利于注入煤层的氮气在煤层内均匀扩散，减小煤层气生产井所产气体氮气含量增加速率，有利于煤层气区块长期稳产，提高煤层气采收率。
使用本发明能够不使用或少使用调峰储气库，避免了调峰储气库的安全风险，提高了供气安全性。
因此，本发明具有良好经济效益和安全效益。
附图说明
图1注氮井、生产井和注氮单元示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式，对本发明做进一步说明。
向煤层气储层注入惰性气体，例如，氮气，或注入其他不与煤层气储层发生化学反应的气体，例如，二氧化碳，能够提高煤层气井产量(以下简称为“注气增产煤层气技术”或“注氮增产煤层气技术”)(参见，例如，Rajen Puri and Michael H.Stein，1988年，“Method of coalbed methane production”，美国专利号4883122)。
虽然注入煤层的气体可以是任意的惰性气体或其他不与煤层气储层发生化学反应的气体，但是，实践中使用的气体常常是高纯度氮气和以氮气为主要成分的气体。高纯度氮气是氮气体积百分含量大于95％的气体。以氮气为主要成分的气体是氮气体积百分含量大于50％的混合气体，例如，烟囱气、高炉气。除了向煤层注入高纯度二氧化碳之外，注入各种气体的增产煤层气的理论，大同小异；停止注气或限制注气，因而降低煤层气井产量的理论也大同小异。因此，以下为叙述简明之目的，将注入煤层的气体简称为“氮气”，而不明确区分注入煤层的气体成分。
使用注氮增产煤层气技术时，向煤层注入氮气的井称之为“注氮井”，其余的井称之为“生产井”。
煤层气的主要成分是甲烷，其他烃类气体很少。一般情况下，可以忽略其他烃类气体，煤层气产量可以简单地称之为甲烷产量。使用注氮增解增产技术时，生产井所产气体是甲烷与氮气等气体的混合物。
煤层气浓度即甲烷浓度，是甲烷在生产井所产气体中的体积百分含量。氮气浓度是氮气在生产井所产气体中的体积百分含量。
注氮速率是单位时间内经一口注氮井注入煤层的标准状况下的氮气体积，时间单位是小时或天，例如，m3/天或m3/小时。有多口注氮井时，各个注氮井可以有不同的注氮速率。
向煤层气储层注入氮气之所以能够增产煤层气，是因为氮气能够促进甲烷解吸和增大煤层气储层渗透率(参见，陈信平，2015年，“注氮地面排采瓦斯消除煤矿瓦斯爆炸突出超标危险的方法”，中国专利申请号-201510493663.6)。如果停止向煤层气储层注入氮气，那么，氮气导致的甲烷解吸效应和渗透率增大效应将减小。此外，由于停止注氮，注氮井与生产井之间的压力差将减小，煤层内的气体将趋向于压力平衡，因此，该压力差导致的煤层气储层内气体渗流对自由态甲烷的驱排作用将减小，以至于驱排作用最终消失。由此可知，从理论上讲，控制注氮压力、注氮速率，就有可能控制煤层气井产量，从而使煤层气井在用气高峰时段高产，在用气低谷时低产，达到天然气调峰之目的。
在实践上，要达到上述天然气调峰之目的，需要解决的主要技术问题是，在停止注氮期间，如何保证煤层气储层内流体是一相气体状态不变。在注氮增解增产煤层气期间，汇集到生产井的地下水被高压气体排至地面，煤层气储层内是甲烷、氮气的混合气体。如果停止注氮期间，能够保持煤层气储层内流体是一相气体状态不变，那么，在调峰结束后，恢复注氮，煤层气井将在较短时间内恢复正常生产。相反，如果停止注氮期间，煤层气储层内流体性质由一相气体变化为气水二相流体或者变化为一相液体水，那么，在调峰结束后，恢复注氮，将需要较长时间才能够将煤层气储层中的水排出煤层，汇集到生产井，被高压气体排至地面，使煤层气储层中的流体重新变为一相气体。使用注氮增解增产技术开发的煤层气储层一般是低渗透率储层，使煤层内流体由一相液体水或气水二相变为一相气体需要几十天、几个月甚至半年以上，决定于注氮压力、注氮速率、注氮井井距等因素。
保持煤层气储层内流体是一相气体状态不变的方法是，在停止注氮期间，保持生产井井口压力充分地大于煤层气储层静水压力。为此预测停止注氮期间煤层气储层内压力变化趋势、控制生产井产气量，检测生产井井口压力，并在出现生产井井口压力小于煤层气储层静水压力时或者有此种危险时，采取相应措施。
因此，注氮增解增产技术模式下的煤层气储层气区块，可以按长周期用气量变化规律调整煤层气储层气产量。长周期用气量变化规律是，十一月初冬季取暖开始，用气量增大，三月底取暖结束，用气量下降。对应地，调峰储备实施的储气量的变化规律是，每年的十一月份，由于冬季采暖使得储备水平由高位开始下降，第二年的三、四月份达到谷底，五月份又开始回升，到十一月初达到高峰。注氮增解增产技术模式下的煤层气储层气区块按照下述规则安排生产：五～六月正常注氮生产，多余的煤层气储层气进入调峰储气库储备起来；六月底停止注氮，注氮井封井，检修制氮机、增压机等注氮设备，生产井继续生产，但产量下 降，到九月底达到产量低谷，产量下降幅度控制在50％～70％之间，通过控制生产井产气量，保持井口压力大于静水压力(即井口到最深投产煤层气储层底板的水柱压力)，这期间多余的煤层气储层气进入调峰储气库储备起来，也可以根据调峰储备实施的情况，控制生产井的产量到更低幅度；十月初恢复注氮，生产井产量上升，预测十一月底恢复正常产量，恰好供应冬季取暖用气高峰；如此正常注氮增解增产，直到六月底，然后开始下一年循环。如果天然气中央空调普及，出现夏季用气高峰，可以在每年的四月下旬至七月上旬、八月下旬至十月上旬各安排一次停止注氮减产。每次注氮减产的起始时间、结束时间、减产幅度等等，应当根据调峰需要、井区地质构造特征、煤层气储层气储层特征及其围岩特征等等因素对停止注氮后压力降低速率的影响、区块煤层气井压力和产量历史等因素，规划调整，以达到最佳地匹配调峰需要，并保证煤层气储层气区块的长期生产效益。
本发明将一口注氮井和主要受到该注氮井注氮压力、注氮速率等因素影响的全体生产井，称之为“一个注氮单元”。能够被用于调峰的煤层气区块必然有多口注氮井，构成注氮井井网，如图1所示。在图1中，一个注氮单元是为以注氮井为中心，以注氮井井距为边长的正方形、矩形或范围内的生产井；注氮井A的注氮单元是正方形虚线范围内的生产井和注氮井涵盖的区间。由于注氮井井网不一定是如图1所示那样的正方形网，因此，一个注氮单元覆盖的范围也不一定是正方形。
本发明是采用以下技术手段实现的：
一种天然气长周期调峰方法，其特征在于：调整向煤层气储层注入氮气的时间、注氮压力、注氮速率，从而调整煤层气井产量，使煤层气井在用气高峰期间高产，满足用气需要，在用气低谷期间低产，减小对调峰储气库工作气量的需求，包括以下步骤和技术：
(a)调峰调度在调峰降产开始日期之前发出停注限注调峰指令，包括如下内容：执行停注限注调峰指令的公司和煤层气区块、调峰降产开始日期、调峰降产结束日期、调峰期间的甲烷和其他烃类气体日产量、累计产量、产量降低幅度；
(b)计算停注限注调峰期间煤层气井井区范围内煤层气储层中的氮气向顶板、底板围岩和井区外煤层扩散、生产井排放甲烷和氮气混合气体等因素造成的煤层气储层损失的氮气数量V氮气损失；
(c)估算煤层中赋存自由态氮气的空间的体积V煤孔隙；
(d)根据煤层气储层损失的氮气数量V氮气损失和煤层中赋存自由态氮气的空间的体积V煤孔隙，使用实际气体状态方程，预测停注限注调峰期间煤层气储层压力降低幅度P预期压降；
(e)估算在保持煤层气储层压力大于煤层静水压力P静水压力条件下，允许的煤层气储层压力降低的幅度P允许压降；
(f)如果P预期压降大于P允许压降，采取措施保证停注限注调峰期间煤层气储层压力大于煤层静水压力：
(g)根据煤层气区块地质构造、地下水系等，制定注氮井停止注氮的顺序和时间表；；
(h)根据煤层气区块地质构造、地下水系、生产井产量和压力历史变化等，制定生产井减产的顺序、减产量、时间表；
(i)按照步骤(g)制定的注氮井停止注氮的顺序和时间表和步骤(h)制定的生产井减产的顺序、减产量以及时间表，停止注氮井注氮作业，逐步调减生产井气体产量，在调峰降产开始之日将生产井产量降低到停注限注调峰指令规定的日产量；
(j)在停注限注调峰期间，注氮井停止注氮，只有在特别需要时改停止注氮为限制注氮；
(k)在停注限注调峰期间，监测生产井井口压力、产气量、甲烷浓度；
(l)在停注限注调峰期间，在生产井井口压力下降到接近静水压力时，改停止注氮为限制注氮；
(m)自停注限注调峰指令规定的调峰降产结束日期起，按照步骤(g)制定的注氮井停止注氮的顺序和时间表，按相反是顺序和时间恢复注氮；
(n)自停注限注调峰指令规定的调峰降产结束日期起，按照步骤(h)制定的生产井减产顺序、减产量以及时间表，按相反的顺序、产量、时间，调增生产井产量。
所谓限制注氮包括单个或多个注氮单元短时间内恢复注氮，整个区块短时间内恢复注氮，和以较低压力和较小注氮速率注氮。
所述的实际气体状态方程包括范德瓦尔斯(Van der Waals)方程、维里(virial)方程、R-K(Redlich-Kwong)方程。
为保证停注限注调峰期间煤层气储层压力大于煤层静水压力而采取措施是，在实施停注限注调峰指令之前的调峰准备阶段，增大注氮井注氮压力、注氮速率，增大煤层气储层压力，从而增大P允许压降；或者在停注限注调峰期间，将生产井产量调减至小于停注限注调峰指令规定的日产量，从而减小P预期压降；或者在停注限注调峰期间，间歇性注氮，保持煤层气储层压力大于煤层静水压力。
本发明与现有技术调峰方法相比，具有以下明显的有益效果和优势：
使用本发明能够不建设或少建设调峰储气库，因而能够节省调峰储气库基建成本。
使用本发明不发生调峰储气库运行费用。在“背景技术”部分的表1中，使用地下调峰储气库的储气调峰费运营成本最低，为0.46元/m3·年。节省的调峰储气库运行费用可以用于补贴煤层气开发公司降产的损失。
使用本发明做天然气调峰的运营成本仅仅是停注限注间煤层气开发公司的低产损失。该低产损失包括：(1)制氮机、增压机及其供电设备闲置的折旧费；(2)按调峰减产比例计算的人员费用；(3)按调峰减产比例计算的其他设备(气体处理、煤层气井等折旧费；(4)按调峰减产比例计算的井场场地费；(5)利润损失。但是，在调峰减产期间，有以下几个因素，它们使得前四项损失减小：(1)将制氮机、增压机及其供电设备的闲置期变为设备检修、维护期。即使没有调峰减产，制氮机、增压机也需要一年一度的停产检修，通常需要15～30天。(2)调峰减产期间，煤层气储层气内高压氮气、煤层气在没有高压注氮影响的条件下，达到压力均衡。这使得氮气更均匀地扫过煤层气储层，有利于整体降低煤层气储层残余瓦斯含量，提高煤层气储层气开发(瓦斯排采)回收率；使得注氮井与生产井之间可能存在的氮气直接通路，由于煤层气储层塑性形变特性和压力下降，将趋向闭合，有利于调峰减产结束后恢复注氮时避免氮气直接从注氮井窜入生产井。(3)每一次的调峰减产恰好可以作为煤层气储层气储层内部压力弛张变化，调整储层内应力的时期，是实现注氮采气采煤一体化75％回收率目标的必要措施。(4)调峰减产期间因为制氮机、增压机停止运作而减少的电费。这笔电费是注氮增解增产的主要成本，电费占注氮成本的60％～70％。总结起来，使用本发明做天然气调峰时，虽然煤层气开发公司因为停注限注氮气而减产，但是，停注限注氮气有利于注入煤层的氮气在煤层内均匀扩散，减小煤层气生产井所产气体氮气含量增加速率，有利于煤层气区块长期稳产，提高煤层气采收率，有利于煤层气开发公司提高总体经济效益。因此，不需要补偿因减产而造成的全部销售收益损失，只需要补偿煤层气开发公司的部分低产损失，节省的调峰储气库运行费用有可能足以补贴煤层气开发公司降产的损失。
使用本发明能够提高调峰安全程度。使用地下储气库做长周期调峰时，在用气低谷期间将天然气注入地下，在用气高峰期间从储气库中排出天然气到输气管道，都有安全风险。这些长周期调峰天然气在地下储气库的储存时间是一个年度的用气低谷，通常半年左右；储存期间有逸散风险。使用本发明能够不使用或少使用调峰储气库，避免了调峰储气库的安全风险，提高了供气安全性。
因此，本发明具有良好经济效益和安全效益。