國(guó)外鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)鹽腔殘留水治理措施分析

李國(guó)韜 霍永勝 郝國(guó)永

（1.中國(guó)石油大港油田公司鉆采工藝研究院，天津 大港 300280；2.中國(guó)石油西氣東輸管道公司儲(chǔ)氣庫(kù)項(xiàng)目部，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司，河北 任丘 062552）

國(guó)外鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)鹽腔殘留水治理措施分析

李國(guó)韜1霍永勝2郝國(guó)永3

（1.中國(guó)石油大港油田公司鉆采工藝研究院，天津 大港 300280；2.中國(guó)石油西氣東輸管道公司儲(chǔ)氣庫(kù)項(xiàng)目部，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司，河北 任丘 062552）

鹽腔殘留水會(huì)對(duì)天然氣注采系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響，尤其是天然氣水合物的影響。如何防止回采天然氣生成水合物，對(duì)確保儲(chǔ)氣庫(kù)正常運(yùn)行至關(guān)重要。為此，從介紹儲(chǔ)氣庫(kù)鹽腔殘留水堵塞管道、腐蝕金屬管線、降低熱值及形成水塞的幾大危害入手，分析了儲(chǔ)氣庫(kù)鹽腔殘留水的來源及形成過程。重點(diǎn)對(duì)國(guó)外鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)鹽腔殘留水治理措施進(jìn)行了分析。同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)剛剛起步的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的鹽腔殘留水處理提出了深化溶腔監(jiān)測(cè)技術(shù)、開展有機(jī)液體與鹽水混合物地面分離研究等建議。

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù) 鹽腔殘留水 治理措施 鹽腔排鹵 沉積坑覆蓋

0 引言

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)是利用水溶法在鹽層上溶蝕出一定體積的鹽腔建造而成的。投入運(yùn)行后，總會(huì)有一些在溶腔產(chǎn)生的鹽水殘留于儲(chǔ)氣鹽腔內(nèi)，造成在鹽腔中儲(chǔ)存的天然氣中含水。鹽腔中的殘留水危害較大，對(duì)天然氣設(shè)備及管線均會(huì)產(chǎn)生損害，甚至?xí)绊懱烊粴庥脩舻挠脷庖蟆榇?，筆者將結(jié)合國(guó)外對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)鹽腔殘留水的治理方法及成果，來探討我國(guó)剛剛起步的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)及殘留水治理措施。

1 鹽腔殘留水的危害

鹽腔中的殘留水會(huì)帶來不少問題，包括：①在地面流程的管線和設(shè)備中生成水合物，對(duì)設(shè)備造成損害，甚至全部堵塞管道；②當(dāng)天然氣中含有CO2和H2S等酸性氣體時(shí)會(huì)加劇對(duì)金屬管線的腐蝕；③含水后天然氣的熱值會(huì)降低，不能滿足用戶對(duì)氣質(zhì)指標(biāo)的要求；④水蒸氣遇冷凝析成水，在管道輸送中形成水塞，增大阻力；⑤采氣管柱中形成的冷凝水向下滑脫，會(huì)溶解腔體頸部的鹽，形成溝槽，當(dāng)測(cè)井儀器提出鹽腔時(shí)，可能會(huì)卡在這些溝槽中。

國(guó)外實(shí)踐表明，在上述問題中，對(duì)天然氣注采氣系統(tǒng)危害最大的是天然氣水合物，絕大部分的天然氣回采發(fā)生在水合物的生成區(qū)［1］。丹麥DanskOil?eog天然氣有限公司與荷蘭N，V.NederlandseGasunie公司合作進(jìn)行的一項(xiàng)在鹽穴天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)中長(zhǎng)期快速抽氣試驗(yàn)表明，在僅含有微量水汽的情況下，只要壓力和溫度適合，就會(huì)生成水合物，并不需要有液態(tài)水的參與［2］。圖1給出的是天然氣形成水合物的熱力學(xué)平衡曲線。在曲線的左側(cè)能夠形成水合物且保持穩(wěn)定，而在曲線右側(cè)不能形成水合物或者水合物會(huì)分解。國(guó)外研究表明，對(duì)于天然氣水合物的防治，最有效、對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響最小的措施是降低天然氣中水的含量。對(duì)從鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)中抽出的氣體，必須考慮干燥處理，去除大部分水份，處理后天然氣中含水量通常不超過70mg／m3［3］。

2 鹽腔殘留水的來源

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)氣鹽腔是通過注水溶鹽產(chǎn)生的，這個(gè)過程被稱為溶腔。在溶腔結(jié)束的時(shí)候，鹽腔內(nèi)充滿了鹽水。這些鹽水被第一次注入的天然氣

驅(qū)替出來。圖2是第一次注氣排鹵時(shí)的管柱示意圖。天然氣通過生產(chǎn)管柱和排鹵管柱的環(huán)空注入，鹽水通過排鹵管柱被驅(qū)替至地面。在注氣驅(qū)替排鹵后，在不溶物沉積坑表面上的鹽腔內(nèi)殘留了一定量的鹽水不能夠排出。不溶物沉積坑的形狀是影響這些殘留鹽水體積的決定性因素，最理想的情況是在鹽腔軸向最深處形成一個(gè)薄的碗狀沉積坑，但這種情況很難實(shí)現(xiàn)。沉積坑上面殘留的鹽水體積可達(dá)數(shù)百甚至數(shù)萬立方米。

圖1 天然氣水合物的熱力學(xué)平衡曲線圖

沉積坑始于最終完鉆之時(shí)，并在?溶腔過程中逐漸形成。沉積坑包括鹽層中的不溶沉積物如硬石膏和泥土等，同時(shí)也包括在飽和鹽水中不能溶解的鹽塊。沉積坑呈漏斗形，它的厚度取決于鹽腔最終要達(dá)到的直徑和鹽層中的固相成分。沉積坑內(nèi)的不溶沉積物可重達(dá)數(shù)噸。目前國(guó)外對(duì)于沉積坑中不溶沉積物的物理性質(zhì)、孔隙度、滲透率的研究還不夠深入，僅僅根據(jù)不溶沉積物的結(jié)構(gòu)和組分進(jìn)行研究，導(dǎo)致上述性能參數(shù)在很大范圍內(nèi)變化。

3 殘留水治理

目前國(guó)外解決鹽腔殘留水危害的方法主要有兩類，分別為阻止蒸汽進(jìn)入儲(chǔ)存的天然氣內(nèi)（沉積坑覆蓋）以及設(shè)法將鹽腔底部的殘留鹽水驅(qū)替干凈（鹽腔排鹵）。

3.1 沉積坑覆蓋技術(shù)

德國(guó)在Bemburg鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)嘗試了一種方法，將一種特殊的覆蓋物質(zhì)送到鹽腔內(nèi)殘留的鹽水表面，起到隔離水蒸氣、避免水從鹽腔傳給儲(chǔ)存天然氣的作用。這種覆蓋物質(zhì)具有以下性質(zhì)：水分子不能穿透，比鹽水輕，低蒸汽壓力且自擴(kuò)散，被鹽層落物破壞后能自我修復(fù)，鹽腔工況條件下性能穩(wěn)定，容易用泵抽汲，無毒、無危險(xiǎn)且價(jià)格便宜。

迄今為止，所嘗試的物質(zhì)都還不能完全滿足以上條件，沉積坑覆蓋技術(shù)也沒有得到滿意的結(jié)果。目前這個(gè)技術(shù)尚處于探索階段。

圖2 注氣排鹵的管柱示意圖

3.2 鹽腔排鹵技術(shù)

目前為止，國(guó)外研究對(duì)于是否必須要排除干凈沉積坑包括沉積物孔隙中的鹽水，還是僅去除沉積物上面的自由鹽水的問題，還沒有確定性結(jié)論。但可以確定的是當(dāng)沉積物表面的水蒸發(fā)掉后會(huì)產(chǎn)生鹽結(jié)晶，鹽結(jié)晶能夠封閉沉積物孔隙，延遲沉積物孔隙中的水向天然氣中蒸發(fā)，但這種延遲有多大效果尚無科學(xué)結(jié)論。

1）管柱排鹵。目前常用的管柱排鹵技術(shù)主要是

采用連續(xù)油管和加深排鹵管柱的方法?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，試圖利用連續(xù)油管和加深排鹵管柱的方法抽干沉積坑中的殘留水體時(shí)，總會(huì)發(fā)生諸如沒有有效的方法來控制鹽腔內(nèi)管柱的方向及排鹵管柱被固體阻塞等問題。

2）頻繁注采。頻繁的注采鹽腔內(nèi)的天然氣會(huì)減少天然氣在鹽腔內(nèi)儲(chǔ)存的時(shí)間，也就減少了水蒸發(fā)的時(shí)間，從而降低天然氣中蒸汽的含量。但注采周期受到天然氣市場(chǎng)的制約。在德國(guó)，鹽腔內(nèi)儲(chǔ)存的天然氣一年最多注采一次，我國(guó)也基本處于同樣的注采周期狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M計(jì)算表明，僅僅靠循環(huán)注采天然氣的方式來采干鹽腔內(nèi)殘留的鹽水也幾乎是不可能的（表1）。

3）用有機(jī)液體頂替鹽水。目前國(guó)外正致力于研究向殘留鹽水中注入一種有機(jī)液體，利用混合在鹽水里的有機(jī)液體驅(qū)替殘留的鹽水。該工藝的主要步驟為：①通過排鹵管柱將該有機(jī)液體泵入沉積坑殘留鹽水中；②通過排鹵管柱注入天然氣，與鹽水和有機(jī)液體充分混合；③通過生產(chǎn)管柱和排鹵管柱環(huán)空注入天然氣，將混合物從排鹵管柱中頂替出來；④混合物在地面進(jìn)行處理；⑤處理后的有機(jī)液體繼續(xù)被泵入殘留鹽水中；⑥重復(fù)上述步驟直到沉積坑中殘留水的含量降低到天然氣不用進(jìn)行干燥處理就能滿足用戶需要的程度。目前國(guó)外開展實(shí)驗(yàn)的有機(jī)液體是甲醇或乙二醇，殘留在沉積坑中的甲醇能揮發(fā)到天然氣內(nèi)和天然氣一同排出，乙二醇能對(duì)存留于沉積物孔隙中的鹽水起到非常有效的覆蓋作用，甲醇完全揮發(fā)，不能起到這個(gè)作用。

表1 通過循環(huán)天然氣排除鹽水的計(jì)算表

這種方法的效果已初步得到了驗(yàn)證，其能否推廣的關(guān)鍵在于應(yīng)用這種方法的費(fèi)用和利用天然氣干燥處理裝置的費(fèi)用對(duì)比。應(yīng)用有機(jī)液體頂替鹽水方法的費(fèi)用主要是處理廠和頂替液體的投資。從目前國(guó)外的實(shí)驗(yàn)情況來看，當(dāng)殘留自由鹽水量小于1000 m3時(shí)，用有機(jī)液體頂替鹽水是比較經(jīng)濟(jì)的一種方法。

4 結(jié)論及建議

1）我國(guó)的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)處于剛剛起步階段，更多的研究重點(diǎn)集中于如何建穩(wěn)定的容量大的鹽腔，如何安全順利操作等方面，對(duì)于影響天然氣注采系統(tǒng)運(yùn)行的殘留水的治理措施研究經(jīng)驗(yàn)不足。為此，應(yīng)借鑒國(guó)外鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，有針對(duì)性地開展天然氣干燥處理、鹽腔殘留水控制等方面的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化研究工作，以提高鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)天然氣注采系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

2）國(guó)外研究表明，不溶物沉積坑的形狀是影響鹽腔殘留鹽水體積的決定性因素。應(yīng)針對(duì)國(guó)內(nèi)建庫(kù)鹽層的特點(diǎn)，深化溶腔工藝、溶腔設(shè)備、溶腔監(jiān)測(cè)等技術(shù)研究，盡可能形成有利的不溶物沉積坑形狀，為最大程度地減少鹽腔殘留水創(chuàng)造條件。

3）國(guó)外針對(duì)鹽腔殘留水已經(jīng)開展了大量的研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐工作，但水從沉積坑中蒸發(fā)到被儲(chǔ)存的天然氣中的問題還遠(yuǎn)未解決，目前研究的重點(diǎn)是如何利用有機(jī)液體頂替殘留鹽水，但還需進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)論證。國(guó)內(nèi)應(yīng)在汲取和借鑒國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展有機(jī)液體優(yōu)選、有機(jī)液體與鹽水混合物地面分離等研究工作，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以優(yōu)化天然氣注采系統(tǒng)，提高鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］武雪紅.鹽穴天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行管理綜述［J］.天然氣與石油，2008，26（4）：1-4.

［2］譚羽非.國(guó)外鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)及研究進(jìn)展［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2001，20（1）：7-8.

［3］閻光燦，王曉霞.地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)技術(shù)［J］.天然氣與石油，2004，22（2）：8-14.

（編輯：蔣龍）

B

2095-1132（2014）04-0048-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.04.014

修訂回稿日期：2014－07－14

李國(guó)韜（1975－），碩士，高級(jí)工程師，從事儲(chǔ)氣庫(kù)注采工藝的科研、設(shè)計(jì)工作。E-mail：liguotao001@126.com。