鹽穴儲氣庫建腔技術(shù)

鹽穴儲氣庫建腔技術(shù)李曉鵬【摘要】當前世界經(jīng)濟飛速發(fā)展,能源需求量不斷增加，為保障工業(yè)發(fā)展和民眾生活穩(wěn)定有序，各國已將鹽穴儲氣庫建設(shè)作為天然氣工業(yè)發(fā)展中的重要內(nèi)容.結(jié)合國內(nèi)外儲氣庫溶腔技術(shù)經(jīng)驗，通過對鹽穴建腔復(fù)雜工藝分析，提出了儲氣庫地形選擇、建腔方案、腔體壓力和體積測算、注水循環(huán)方式、油氣墊及管柱提升方法、腔體形態(tài)聲吶檢測與壓力密封性測試等技術(shù)，同時對在建腔過程中遇到的問題進行了分析論述，對鹽穴儲庫的研究、建設(shè)和運行工作具有一定參考意義.【期刊名稱】《當代化工》【年(卷)，期】2016(045)007【總頁數(shù)】4頁(P1460-1463)【關(guān)鍵詞】天然氣;鹽穴儲氣庫;溶腔;技術(shù)分析【作者】李曉鵬【作者單位】長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢430100;中國石油天然氣集團公司采油采氣重點實驗室長江大學(xué)分室，湖北武漢430100【正文語種】中文【中圖分類】TE822鹽穴儲氣庫是通過常規(guī)鉆井方式鉆穿天然巖層，根據(jù)水溶采礦原理利用采鹽井或新鉆井眼注入淡水溶蝕鹽層，然后泵出鹵水注入天然氣，通過工藝控制使腔體達到滿足生產(chǎn)需求的形狀和體積。鹽穴儲氣庫具有儲量大、注采時間短、周期靈活、安全系數(shù)高等優(yōu)點，可以對因各種因素導(dǎo)致的天然氣需求量不同而弓I起的供氣不均衡進行日、月、季度的調(diào)峰處理，有助于生產(chǎn)系統(tǒng)和輸氣管網(wǎng)的優(yōu)化與運行，保障居民與工業(yè)生活生產(chǎn)正常運行。鹽穴地下儲氣庫不僅要承受地熱和巖層壓力的作用，更需在儲氣庫運行期間因下游用氣不均衡性造成壓力變化的過程保持穩(wěn)定，所以在建設(shè)前期應(yīng)當進行充分的設(shè)計與論證工作。合適的巖鹽地層，合理的腔體形態(tài)、尺寸及運行壓力的確定是保證儲氣庫建設(shè)并正常運行的關(guān)鍵。儲氣庫的地址選擇是建立在地震勘探和測井的基礎(chǔ)上，地質(zhì)評價主要包括鹽層的沉積特征與分布情況，鹽穴頂?shù)椎貙拥拿芊庑砸约胞}層品位等。優(yōu)選鹽層應(yīng)當具有如下特征：①鹽層體積大且具有一定厚度即力學(xué)穩(wěn)定性好，②鹽層品位高所含夾層少便于水溶造腔，③埋深大且頂?shù)装鍙姸却竺芊庑阅芎?，可保證儲氣能力，④附近有豐富淡水資源和鹽鹵處理設(shè)施，便于造腔和排鹵處理。由巖石力學(xué)計算分析認為溶腔形態(tài)以圓球形、鴨梨形、圓柱形穩(wěn)定性好，儲氣庫的腔體形態(tài)設(shè)計近似鴨梨形，由此通過增大溶腔高寬比以增加造腔體積。由于運行期儲氣庫注采氣造成壓力隨腔體內(nèi)氣體含量變化較大，為保障儲氣庫安全穩(wěn)定需確定氣庫可承受壓力［1］。建腔前期應(yīng)對儲氣庫壓力和體積進行預(yù)測算［2］。參考國外的儲氣庫運行壓力經(jīng)驗標準（如表1）,鹽穴儲氣庫的運行壓力與其體積、深度和氣墊氣有一定相關(guān)性。為獲取較大的庫容和氣井產(chǎn)能，注氣后地層壓力僅可高于原始地層壓力的1.15~1.2倍，一般不應(yīng)高于靜水柱壓力的1.3倍，以保證氣密性不受破壞［3］。對儲氣庫體積的測算可通過腔體采出鹵水量和測量得到含鹽濃度進行，根據(jù)下式計算腔體的有效體積用于指導(dǎo)造腔和儲氣庫運行：式中：Vf一腔體有效體積，m3；Vs—溶解固體鹽體積，m3;a一巖鹽中不溶物比例；B一巖鹽中不溶物脫落后膨脹系數(shù)。式中：Vs—注入1m3水所溶解固體鹽的體積；ps—純鹽密度，kg/L;pb—地面條件下采出鹵水密度，kg/L;pbo—腔體條件下飽和鹵水密度，kg/L;mo一腔體條件下飽和鹵水重量百分比，%;m一地面條件下采出鹵水重量百分比，%;Cs—單位體積鹵水中溶解鹽重量，g/L。2.1建腔方式在儲氣庫建腔過程中主要有三種方式[4],如圖1所示：①單井單腔，在鹽穴上方鉆井，套管下入鹽穴中進行注水排鹵后建造一個腔體。②單井多腔，針對鹽穴有夾層且不能被溶斷或鹽穴由兩個儲層構(gòu)成的地質(zhì)情況進行建腔。具體操作為：鉆一口上下貫通的井，注水先溶解下部鹽層形成設(shè)計腔體后，通過套管提升溶解上部鹽層，從而形成兩個獨立的腔體。③雙井單腔，在同一鹽層相鄰位置鉆取兩口井，連通后兩口井相互進行注水排鹵。在采鹵溶腔工藝中常用管柱組合有兩種：一是單管柱，常見于雙井或多井對流采鹵即在各井口生產(chǎn)套管內(nèi)下入一根中心管，通過鹽巖地層建立循環(huán)進行采鹵溶腔。該方法簡單經(jīng)濟但不能實現(xiàn)對腔體的形狀控制，對所建腔體穩(wěn)定性沒有保證。二是雙管柱組合，雙管溶腔結(jié)構(gòu)常見于單井無阻溶劑對流采鹵即在生產(chǎn)套管中下入中心管和同心的中間管。雙管柱組比較復(fù)雜且成本較高，但是可以通過調(diào)節(jié)兩口距控制溶腔，有利于形成設(shè)計所需的腔體形態(tài)。2.2溶腔技術(shù)2.2.1溶腔注水循環(huán)分析鹽穴建腔主要使用雙管柱組合，注水排鹵工藝中分為正反兩種循環(huán)方式［5］（圖2）。正循環(huán)造腔即通過中心管將淡水注入腔體底部，溶蝕后的鹵水則在腔體頂部通過環(huán)空管抽排至制鹽工廠，形成如圖2示鴨梨狀溶腔。反循環(huán)即環(huán)空層注入淡水，溶解鹽層后鹵水在溶腔底部通過中心管返回地面，這樣的循環(huán)方式形成倒錐形腔體［6］。在整個溶蝕過程中為控制溶腔形狀正反循環(huán)是交叉進行的，但是在造腔初始階段必須使用正循環(huán)，以避免生產(chǎn)中出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。正反循環(huán)造腔方式各有優(yōu)劣，反循環(huán)造腔是自上而下進行溶蝕，排出鹵水濃度高，提高淡水利用率加快溶蝕速度，縮短建腔周期，缺點是腔體形狀不易控制，且腔體頂部易溶蝕過度造成穩(wěn)定性降低，易發(fā)生腔體坍塌或氣體泄露等事故。正循環(huán)造腔是自下而上溶蝕，排出鹵水濃度低，造腔速度慢，水資源利用不充分，優(yōu)點是通過調(diào)整造腔工藝控制控制造腔形狀，鴨梨狀腔體符合力學(xué)穩(wěn)定性要求。2.2.2油墊與氣墊方法分析溶腔溶解時在重力作用下縱向溶蝕速度遠大于橫向溶蝕速度。為避免腔體頂部溶蝕過快，采用氣或油墊法即利用既不溶于水也不溶于鹽層的氣或油阻止頂部鹽層與淡水或者淡鹵水直接接觸，促使腔體橫向擴展增大腔體體積。目前通用的阻溶介質(zhì)有氮氣或柴油，在水溶開采中初始溶腔形成后，作隔離作用的氣體或油品通過中間管外環(huán)形空間注入溶腔內(nèi)，由于存在密度差注入的氣體或油品在頂部形成墊層，保護腔體頂部不被溶蝕，同時加快周圍鹽層溶蝕速度［7］。施工中注氣或油量的多少要依據(jù)溶腔體積進行測算，同時應(yīng)嚴格控制氣或油水界面的位置，使形成的腔體既有一定頂板厚度又有充足空間體積。隨溶腔體積不斷擴大，頂板處的氣或油層厚度會逐漸變小，因此需要不斷補充氣體或者油品使其保持一定的厚度，這是保護溶腔穩(wěn)定性的一項主要措施。油或氣墊建腔均以相同原理達到保護腔體安全穩(wěn)定的目的［7］,但兩種方法也有一定差異。通過數(shù)值模擬實驗表明：油不易溶于水且其體積不易被壓縮，作墊層厚度可控制，而氣體極易被壓縮，在達到一定壓力值時可溶于水，且其厚度隨壓力不斷變化進而影響作墊層所提供的保護作用，因此油墊法保護頂板不受溶蝕的效果顯著［1］。對于氣墊建腔首先其經(jīng)濟成本遠低于油墊法所付成本，其次在溶腔完成對儲氣庫進行密封性檢測時可通過地面測量點測量氣體含氮量得出更直觀結(jié)論，同時在儲氣庫運行初期氮氣的留存不會對天然氣的品質(zhì)造成干擾。2.2.3水溶建腔管柱提升技術(shù)分析在正循環(huán)溶腔時為降低不溶物雜質(zhì)高度，初始階段中心管應(yīng)盡量接近底部，快速增加溶腔體積，在后期循環(huán)溶蝕過程中要通過改變中心管和中間管的位置進行腔體形狀控制。為保持腔體的連續(xù)性，反循環(huán)開始后在溶腔底部中心管應(yīng)小幅度提升高度，隨溶腔體積的增大在溶腔中部提升幅度可以加大，當在溶腔頂部時提升幅度要相對減小，最后進行溶頸。一般管柱的提升次數(shù)在6~10次［8］。相同的地層條件下，管柱提升并調(diào)節(jié)兩口距次數(shù)越多，腔體形狀越符合要求。當所選建腔地質(zhì)包含夾層時，因夾層的存在造成溶腔邊界的不規(guī)則對建腔、腔體形態(tài)及穩(wěn)定性均有不利影響［8］。溶解夾層主要通過提升管柱和控制墊層界面的方法，影響夾層處理效果的關(guān)鍵因素是中心管的下入位置。當夾層距離中心管下部較遠時，因夾層中不溶物含量較高，阻礙淡水對管柱下部鹽巖的溶蝕，使夾層不易溶蝕，難溶夾層會暴露于腔體頂部成為腔體的直接頂板［9］。通過提升管柱對夾層溶解柱會導(dǎo)致墊層高度變化，因此應(yīng)當考慮墊層厚度，夾層與墊層界面、造腔管柱的相對位置等因素，避免懸空夾層溶斷造成腔體大面積垮塌［10］。2.2.4腔體密封性與形態(tài)檢測鹽穴儲氣庫投入運行前都要經(jīng)過密封性及形態(tài)檢測，重點針對鉆井工程因素的井筒和地質(zhì)因素的鹽穴頂?shù)酌芊庑詸z測，以便確定所建造的儲氣庫符合設(shè)計規(guī)范并滿足安全運行的要求［11］。通過向腔體內(nèi)中注入氣體并在井口監(jiān)測氣體濃度變化，當注入氣體達到儲氣庫運行壓力后，關(guān)閉井口裝置并對腔體內(nèi)壓力和溫度波動范圍進行測量，可以判斷上部頂板和下部鹽層密封性是否良好［1］。在該過程中為避免因腔體內(nèi)氣體泄漏造成環(huán)境污染與破壞，注入氣體應(yīng)選用惰性氣體而不能使用天然氣［12］，通過密封性測試可以為儲氣庫安全運行和維護管理提供科學(xué)依據(jù)。腔體形態(tài)監(jiān)測的有效方法是聲吶測定技術(shù)［13］，該技術(shù)過程即將聲吶設(shè)備通過井筒下潛至腔體中，設(shè)備向腔體四周發(fā)射某一特定頻率聲波，并通過聲吶儀接收被腔壁返回的聲波，聲吶設(shè)備通過不斷下潛和旋轉(zhuǎn)過程測量不同高度同一位置的四周腔壁距離，利用計算機模擬腔體三維模型［1］。通過監(jiān)測可以掌握腔體形狀在整個造腔過程中的變化，據(jù)此可對設(shè)備參數(shù)進行調(diào)節(jié)以控制造腔，使腔體達到設(shè)計要求。在某些地質(zhì)條件下因溶腔過程中巖鹽斷層不溶物或夾層垮塌會對采鹵管柱造成擠壓變形影響聲納探測儀的下潛，因此聲吶測量前須先進行井下作業(yè)施工達到滿足聲吶測量作業(yè)安全要求以實現(xiàn)對腔體形狀的精確測量。為提升溶蝕速度以加快儲氣庫建腔周期，溶蝕過程除了受巖鹽雜質(zhì)含量、鹽層溶蝕速度等因素影響外，還受溶腔工藝技術(shù)的限制［14］，如雙井溶腔管距優(yōu)化設(shè)計、噴射式促溶工具應(yīng)用、最優(yōu)注水流量的設(shè)定等。目前在腔體建造方面缺少對上述工藝技術(shù)的研究分析，基于此需要更多開展以上促溶方式對腔體形態(tài)的影響規(guī)律研究，得出各個技術(shù)參數(shù)與建腔速度的影響關(guān)系，可以充分利用參數(shù)調(diào)節(jié)節(jié)約成本增加經(jīng)濟效益。對于鹽穴儲氣庫建腔過程中夾層溶解問題也需進一步分析，如遇目的層為含有泥質(zhì)夾層的層狀鹽層，在建腔期間不溶物及夾層垮塌較嚴重，致使腔體形狀受到破壞，造腔管柱被掩埋等造成嚴重工程問題。為解決上述問題應(yīng)當引入先進技術(shù)如球物理方法如碳同位素跟蹤注入總體的運移軌跡、三維地震技術(shù)等，根據(jù)巖鹽地層縱向分布特征通過數(shù)值模擬和比較分析為儲氣庫建腔地形選擇與設(shè)計提供依據(jù)，達到經(jīng)濟高效建造儲氣庫的目的。鹽穴儲氣庫溶腔工藝設(shè)計的統(tǒng)一化和標準化規(guī)范不完善，需要在不斷的發(fā)展過程中積累經(jīng)驗制定并實施，為后續(xù)鹽穴儲氣庫發(fā)展提供理論指導(dǎo)。盡管儲氣庫因地質(zhì)情況，地面集輸系統(tǒng)工作參數(shù)各有差異，但是在溶腔建設(shè)方面仍具有一定的共同特征和特性。對各階段的儲氣庫而言，天然氣采輸和處理工藝原理是一樣的，這就為儲氣庫的建設(shè)從工藝流程設(shè)計到設(shè)備選擇實現(xiàn)就統(tǒng)一化和標準化提供可能性。采用標準化工藝技術(shù)進行施工可以最大限度的減少不同部門之間的各種成本支出，也能夠保障高效率，高質(zhì)量進行儲氣庫建設(shè)。通過對鹽穴儲氣庫建腔技術(shù)分析，從總體結(jié)構(gòu)和工藝兩個方面提出溶腔設(shè)計方法。建腔前期應(yīng)當對地層特征、壓力及體積進行設(shè)計并選擇合適的井型結(jié)構(gòu)，溶腔過程中采用雙管柱組合遵循正反循環(huán)交替控制腔體形狀，同時應(yīng)注意采用合適的保護劑隔離頂板鹽層。不同地質(zhì)條件下對夾層溶蝕處理應(yīng)采取管柱提升和墊層相配合方式，避免夾層垮塌造成腔體結(jié)構(gòu)不可逆性破壞。腔體建設(shè)后期應(yīng)對其進行形狀和氣密性測試確保儲氣庫可安全有效投入生產(chǎn)。目前溶腔過程中也存在一些尚待解決的技術(shù)問題，在后續(xù)儲氣庫建造運行過程中應(yīng)不斷學(xué)習(xí)先進技術(shù)并進行經(jīng)驗總結(jié)，為我國儲氣庫建設(shè)提供強有力的技術(shù)支持。[1]丁國生.鹽穴地下儲氣庫建庫技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2003,23(2):106-108.[2]師俊峰，金娟，孟憲偉，等.地下儲氣庫方案優(yōu)選新方法[J].石油鉆采工藝，2009,31(3):119-122.蘇欣，趙宏濤，袁宗明，等.基于模糊綜合評判法的地下儲氣庫方案優(yōu)選[J].石油學(xué)報，2006,27(2):125-128.田中蘭，夏柏如.鹽穴儲氣庫造腔工藝技術(shù)研究[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2008,22(1):97-102.[5]班凡生，耿晶，高樹生，等.巖鹽儲氣庫水溶建腔的基本原理及影響因素研究[J].天然氣地球科學(xué)，2006,17(2):261-266.[6]董建輝，袁光杰，申瑞臣，等.鹽穴儲氣庫腔體形態(tài)控制新方法[J].油氣儲運，2009,28(12):35-37.[7]徐素國.層狀鹽巖礦床油氣儲庫建造及穩(wěn)定性基礎(chǔ)研究[D].太原理工大學(xué)，2010.[8]徐孜俊，班凡生.多夾層鹽穴儲氣庫造腔技術(shù)問題及對策[J].現(xiàn)代鹽化工，2015,(2):10-14.[9]施錫林，李銀平，楊春和，等.鹽穴儲氣庫水溶造腔夾層垮塌力學(xué)機制研究[J].巖土力學(xué)，2009,30(12):3615-3620.[10]郭凱，李建君，鄭賢斌.鹽穴儲氣庫造腔過程夾層處理工藝一以西氣東輸金壇儲氣庫為例[J