天然气产能负荷因子计算方法

摘 要

摘要：我国天然气工业快速发展起步较晚，因储备设施不健全，季节性调峰和应急均以上游气田的提产为主。从气田科学开发角度考虑，上游气田应建设调峰和应急备用能力，实际产量安排和产
摘要：我国天然气工业快速发展起步较晚，因储备设施不健全，季节性调峰和应急均以上游气田的提产为主。从气田科学开发角度考虑，上游气田应建设调峰和应急备用能力，实际产量安排和产能的比值(即生产负荷因子)，是衡量生产系统安全平稳运行的一个关键参数，对于天然气工业的有序发展、最大限度地节约资金有着非常重要的意义。调研结果表明，目前国内尚无该方面的系统研究。为此，通过研究产能负荷因子的影响因素及其特点，建立了产能负荷因子的计算公式，分析了其存在的前提条件，并利用该公式进行了举例测算。在近期的天然气发展规划和战略研究中，已应用该计算方法对各气区的产能负荷因子进行了计算，计算结果符合历史供气特点和规律，能够指导气田的科学开发、保障安全平稳供气。
关键词：天然气；生产能力；负荷因子；影响；因素；前提；计算方法；应用效果
1 研究背景
    由于天然气的特殊属性，存储及运输等难度都很大，因而上中下游的协调发展至关重要。实际运行中，由于下游用户需求存在季节性波动，且气井、地面设施、管道等不可避免地存在事故风险，天然气消费涉及千家万户，一旦停供，后果不堪设想[1]。因此需要有一定的储备随时应对调峰和应急。从储备类型来看，有储气库、上游气田、管道、LNG等手段[2]，从规模和经济角度来看，储气库是最佳选择。在储运设施不完善的情况下，上游气田可建设备用能力以满足调峰和应急生产的需要，气田实际产量安排和建成产能的比值即产能负荷因子[3]。
    我国天然气工业发展起步较晚，储备设施不健全，长期以来，用户调峰和应急都靠气田放压提产来解决，影响了气田的科学开发。近年来随着对该问题的重视和工作的不断深入，部分气田开始建设备用能力，天然气产能负荷因子已经呈现下降趋势。
    利用气田调峰也存在弊端，如气井、地面设施、长输管道设备闲置、投资巨大、气田距离用户远应急反应较慢等，随着储气库等设施的不断完善，可以适当降低上游调峰量。结合气田实际状况、调峰需求和储气库建设进度等因素确定各时期合理的产能负荷因子对于天然气工业的有序发展、最大限度的节约资金有着非常重要的意义。
2 计算方法及测算前提条件分析
2.1 计算方法及影响因素
    产能负荷因子可以是某一时刻或某一时间段的值，实际应用中以年或月为单位的较多，但从研究意义来说，以月或天为单位更能反应实际产能利用情况，不论以什么为计算单位，计算方法一样。下面以年为例，分析影响因素及计算方法。
    负荷因子的计算公式为：
    Rqc=Qp/Qpc    (1)
式中Rqc为天然气产能负荷因子；Qp为天然气年产量；Qpc为天然气年生产能力。
    天然气年产量预测可利用战略规划上中下游平衡后的结果数据。天然气产能建设要满足季节性波动生产和应急备用，其中供应波动主要与需求季节性波动和储备调节量(储气库、LNG、管道调用)有关，测算公式为：
 
式中qmax,pg为气田生产井最大日生产能力；qpcs为气田应急生产备用井日产能力；qmax,n为最大日需求量；qmax,si为第i种储备设施最大日供应量；Rcn为商品率。
    气田生产井最大日生产能力的确定可参考供气历史波动规律进行预测，也可以根据需求量和储备设施供气能力来确定。
    应急备用能力根据气区实际位置、气田个数和规模、供需关系来确定，如英国应急备用能力基本为供气规模的5%左右[4]，美国在2000年之前基本在5%～10%之间，2000年以后随着气田生产能力的下降，供需压力变大，基本不再留富余能力[5]。国内气区主要分布在中西部，而消费市场集中在东部、东南部，重点气区、重点气田应留有应急备用能力。如塔里木气区单气田规模大、气田个数少的情况，重点气田备用能力应在10%以上。实际运行中，有些气区气井多，单井产量低，在建设了调峰能力后，不再建设应急备用能力。
    最大日需求量可由市场调研结果、用户结构及供气合同来确定，最大日储备供应量根据储气库等储备手段的最大日工作气量确定。
    上述公式针对的是对未来年负荷因子的计算方法，而对于月和天而言，式(1)中产量和生产能力分别为月产量、日产量和月产能力、日产能力，式(2)中的计算天数分别改为30和1即可。
2.2 测算的前提条件
    产能负荷因子的测算受天然气资源丰富程度、管输能力和投资规模的限制。
    首先是上游天然气资源的富足程度，若足够丰富，则可以根据消费需求和储备需求来建产；若供不应求，则根据气田最大合理生产能力来建产。
    其次，管输能力要有富余，在用气高峰和应急时能够将气输送到用户，管道富余能力多少也是限制负荷因子值大小的一个关键因素。
    产能建设投资巨大，建设富余能力来应急和调峰，在春秋季节用气低谷时期关井或减产、设备闲置，从企业角度来讲，投资回报率降低，所以在这部分产能建设上的投资多少也是影响建产的一个因素。
    以上3个都是瓶颈制约因素，只有三者都存在且富足，负荷因子的测算结果对于科学开发气田、安全平稳供气才有意义。
3 举例计算
    以某假定市场为例测算，假设：①冬季高峰用气量为7500×104m3/d，储气库日采出量为2000×104m3，应急备用能力为最大日供气量的5%，月度日均消费量如表1所示，商品率按O.9考虑；②气田资源和管输能力足够大，投资按照需求下达，储气库夏季注气量由该气源提供。
    根据式(3)计算，气田最大日供气量为5500×104m3，气田需要建设最大日产能力6111×104m3。
    依次根据式(1)、(2)计算，该气田年度产能负荷因子为0.91，月度负荷因子在0.85～0.96之间(如表1所示)。
目前国内除了北京及周边市场有储气库以外，其余市场均不具备规模储气库，所以部分供气区负荷因子更低。如青海气区，地处西北高寒地区，冬季峰值用气是夏季的2.5倍左右[3，6]，目前外输管道下游没有条件建设用于调峰的地下储气库，若按照气田科学建产来测算，其年负荷因子在0.75左右(不考虑应急备用能力的情况下)，实际上由于气田能力限制，年产能符合因子控制在0.8～0.85，供气高峰期只能通过部分气井放压生产。各气区产能负荷因子的差距较大，主要与供气市场位置、用户类型和储备设施有关。
4 结论
    1) 目前国内供气系统尚不完善，缺乏足够的储备设施，为满足高峰期供气需求和突发事件，并合理开发气田，上游气田在产能建设时需要留有余量，保持合理的产能负荷因子。
    2) 产能负荷因子的直接影响因素是调峰量、应急备用量和储备调节量，其测算的前提条件是充足的天然气资源、管输能力和投资。
3) 根据以上因素和条件测算的产能负荷因子能够指导气田科学开发和保障安全平稳供气。
参考文献
[1] 石兴春.关于天然气产业可持续发展的几点思考[J].天然气工业，2009，29(1)：13-16.
[2] 丁国生，李晓波，姜风光，等.“西气东输”二线调峰应急问题探讨[J].天然气工业，2008，28(12)：92-94.
[3] 赵素平，陆家亮，马惠芳，等.天然气产能负荷因子研究[J].天然气工业，2009，29(5)：95-97.
[4] Ruairidh(Rory)Stewart.英国天然气价格挥发式增长[EB/OL].石油服务工业研究，2004.http：∥3gcl.co.uk/3GGL/Datasheets/Alt%20Energy/UK%20Natural%20gas.pdf.
[5] 美国本土48州天然气生产能力[EB/OL].美国能源资料协会，2002.http：∥WWW.eia.doe.gov/pub/oil_gas/natural_gas/analysis_publications/ngcap2003/ngcap2003.pdf.
[6] 陆家亮.中石油供气能力及调峰问题研究[D].北京：中国石油勘探开发研究院，2005.
 
(本文作者：赵素平 陆家亮 刘素民 中国石油勘探开发研究院廊坊分院)