鹽穴儲氣庫雙井造腔技術(shù)現(xiàn)狀及難點分析

周俊馳　黃孟云　班凡生　鄭東波

(1. 中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院， 北京 102200；

2. 中國石油化工股份有限公司天然氣川氣東輸管道分公司， 武漢 430073；

3. 中國石油大學(xué)(北京)， 北京 102249)

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鹽穴儲氣庫雙井造腔技術(shù)現(xiàn)狀及難點分析

周俊馳1,3黃孟云2班凡生1鄭東波1,3

(1. 中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院， 北京 102200；

2. 中國石油化工股份有限公司天然氣川氣東輸管道分公司， 武漢 430073；

3. 中國石油大學(xué)(北京)， 北京 102249)

摘要：目前我國在鹽層建庫主要采用單井溶腔技術(shù)，但常用的單井溶腔技術(shù)無論在造腔體積、建庫周期等方面均已不能滿足我國鹽穴儲氣庫建設(shè)日益增加的需求，而鹽穴儲氣庫雙井溶腔技術(shù)具有增大注水排量、降低能耗、增大腔體體積、縮短建庫周期等優(yōu)點，因此在綜合分析國外鹽穴儲氣庫雙井溶腔技術(shù)及難點的基礎(chǔ)上，指出腔體形態(tài)設(shè)計與控制、腔體形態(tài)監(jiān)測與工藝參數(shù)優(yōu)化等是國內(nèi)鹽穴儲氣庫雙井溶腔技術(shù)存在的主要問題，并提出了相應(yīng)的解決措施。

關(guān)鍵詞：儲氣庫; 鹽穴; 雙井; 溶腔

鹽穴儲氣庫腔體的溶漓是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是在鹽穴中制造儲存空間的主要技術(shù)。良好且高效的溶腔技術(shù)是鹽穴儲氣庫工程建設(shè)的重點攻關(guān)內(nèi)容。鹽穴地下儲氣庫是利用地下較厚鹽層或鹽丘，采用人工方式在其中制造洞穴形成儲存空間來存儲天然氣。與國外鹽丘建庫不同，我國主要在層狀鹽層建庫，鹽層薄且品位低，一般采用單井對流水溶建腔，溶腔時間長，建造20×104m3的腔體需3~5 a，腔體體積小，鹽層利用率低，難以滿足我國日益增長的建庫需要[1-2]。由此快速造腔技術(shù)已成為地下儲氣庫研究的熱點和難點。

雙井水溶造腔技術(shù)顧名思義就是在鹽層中同時使用2口井，進行注采溶蝕形成同一腔體的技術(shù)。該技術(shù)在國內(nèi)外已有案例，如法國MANOSQUE的TA&TB和國內(nèi)的湖北云應(yīng)儲氣庫。本次研究通過介紹國內(nèi)外鹽穴儲氣庫雙井溶腔技術(shù)，分析了雙井溶腔建庫技術(shù)的難點，提出國內(nèi)鹽穴儲氣庫雙井溶腔應(yīng)著力解決的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題。

1雙井造腔的主要優(yōu)勢

雙井溶鹽造腔技術(shù)屬于鹽穴地下儲氣庫的新興領(lǐng)域，也是未來新建鹽穴儲氣庫的主要技術(shù)之一，其優(yōu)點如下：

(1)可有效縮短溶腔時間。在形成相同容積腔體的條件下，雙井造腔排采量更大，效率更高。

(2)經(jīng)濟實用。對比相同體積的腔體，雙井造腔更加經(jīng)濟，操作也較單井簡便。

(3)可增大儲存體積。雙井結(jié)構(gòu)造腔可形成更穩(wěn)定更大容積的腔體，且對于鹽礦地層的利用效率更高。

(4)可針對復(fù)雜地質(zhì)條件?？赏ㄟ^定向井建立井與井之間的地下溝通，定向井可以是水平井或者斜井，對于腔體形態(tài)的控制將更加靈活。

(5)提高工作效率。在儲氣庫中使用雙井結(jié)構(gòu)將大大提高注氣采氣速率，有助于地下儲氣庫迅速采集油氣。

2雙井溶腔技術(shù)現(xiàn)狀

2.1溶腔原理

鹽穴儲氣庫雙井造腔技術(shù)與單井造腔技術(shù)相似采用水溶建腔工藝，即從地面注入淡水，同時井口排出鹵水，通過巖鹽溶解，形成一定形狀和大小的溶腔，利用地下形成的腔體作為存儲空間。不同的是采用2個井筒代替單井溶腔中的中間管和中心管。水溶建腔仍有正循環(huán)和反循環(huán)2種方式。這個過程是腔體建造的主體階段。雙井溶腔示意圖見圖1。

圖1　鹽穴雙井溶腔示意圖

2.2井身結(jié)構(gòu)

法國GEOSEL-MANOSQUE地區(qū)被選作開展

雙井儲氣庫建設(shè)工作最為理想的地區(qū)。目標(biāo)TA&TB每個鹽穴容積可達到50×104m3。TA&TB項目始于2008年11月并于2010年5月正式開展溶腔工作。此項工程包含井口和溶洞設(shè)計、地面操作平臺、鉆井工程、排鹵口設(shè)計以及超濾裝置。TA&TB的雙井周邊有A,PS3,J,K,EV儲氣庫(圖2)，地質(zhì)特征相近，鹽層頂部距離海平線500 m，鹽層厚度約800 m，不溶物含量約為15%。根據(jù)巖石力學(xué)分析，TA&TB的最大鹽穴直徑約為90 m。鹽穴深度的設(shè)計考慮了套管鞋與洞穴頂部位置、溶腔過程最大壓力、泵及管柱所能承受的最大施工壓力。TA&TB的設(shè)計數(shù)據(jù)如表1所示[3]。

表1　TA&TB的相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)　m

圖2　A — TB — TA — K — EV地質(zhì)剖面圖

我國湖北云應(yīng)鹽礦鹽層厚度較大，約為250 m，埋深為530 — 615 m，巖層分布穩(wěn)定，鹽層與非鹽夾層、間隔層交互頻繁，單間隔層厚度小于2 m，鹽群厚度占地層厚度的82%~85%，不溶物含量在15%~20%，地況特征較好，因此選取云應(yīng)鹽礦開展雙井溶腔試驗。儲氣庫雙井井身結(jié)構(gòu)示意圖與相關(guān)數(shù)據(jù)如圖3所示。

2.3造腔管柱尺寸

表層套管尺寸的選擇應(yīng)結(jié)合水泥膠結(jié)質(zhì)量、內(nèi)襯管柱的尺寸、現(xiàn)場排量等。在鉆井過程中不取出中間管，而是直接下放工具進行井下操作，如測井、聲吶測試、取樣等。法國TA&TB雙井均采用1338"的表層套管和 7" — 1034"的中間管(1"=25.4 mm)。采用的排量應(yīng)隨著溶蝕時間而逐漸增大，該套管組合最大可以滿足300 m3h的注水排量。

TA與TB腔體建設(shè)均采用雙井溶腔方式，其中TB的TB1&TB2設(shè)計如圖4所示。

我國湖北云應(yīng)儲氣庫設(shè)計的中間管尺寸較小，套管較大，環(huán)空體積較大(見表2)，有助鹵水排出。

圖3　YK2-26B井井身結(jié)構(gòu)示意圖

圖4　TB1&TB2的設(shè)計圖

序號鉆頭直徑∕mm井深∕m套管外徑∕mm類型套管下深∕m水泥返至套管660.420.0508.0導(dǎo)管20.0地面一開444.5185.0339.7表層套管184.0地面二開311.2758.2244.5生產(chǎn)套管552.0地面

3雙井造腔技術(shù)的關(guān)鍵問題

鹽穴儲氣庫雙井造腔技術(shù)目前仍存在許多難點，主要包括建庫地址層位的選擇、雙井距離的優(yōu)化設(shè)計、最優(yōu)注水流量的設(shè)定、腔體形態(tài)的控制及鹵水處理等。

3.1建庫地址層位選擇

鹽穴儲氣庫溶腔地址選擇應(yīng)根據(jù)多重因素分析判斷，可根據(jù)以下幾點考慮：

(1)若周邊有已建成的鹽穴儲氣庫，應(yīng)根據(jù)已有現(xiàn)場地況資料進行選擇，且與現(xiàn)有儲氣庫距離不宜太遠，可節(jié)約管線工程成本。

(2)盡量選擇與主干交通相距較遠，或者離城區(qū)有一定距離的地區(qū)。

(3)確定地質(zhì)構(gòu)造及該層位地質(zhì)特征符合建庫標(biāo)準(zhǔn)，建議選擇不溶物含量在15%以內(nèi)的層位。

(4)鉆井平臺應(yīng)盡量選擇在山谷低平處或者平原地帶，其次為丘陵地帶。

(5)一般鹽穴儲氣庫不應(yīng)建得太深，套管鞋位置一般在500 — 1 000 m(鹽層頂部以下約50 m)；不建議使用斜井。

(6)儲氣庫建造深度應(yīng)綜合考慮溶解時的最大壓力、操作壓力以及相關(guān)設(shè)備壓力能承受的范圍等因素。

3.2雙井距設(shè)計

雙井間的距離是造腔工藝中的一個重要參數(shù),它對造腔效率以及腔體形狀都有極其重要的影響，此外雙井井距直接影響了采出鹽水的濃度。如果井距較小,注入淡水后含鹽量還沒有達到飽和就排出腔體,溶漓效率和溶腔擴展速度就會受到嚴(yán)重影響；如果井距較大，飽和鹵水不能及時排出，溶漓效率也會大打折扣，且進水口會由于溶液濃度低而導(dǎo)致單邊腔體溶漓快，進一步造成腔體不穩(wěn)定甚至坍塌。就目前已有工程案例分析，其雙井距大多為20 m左右，但這并不一定代表其是最優(yōu)雙井間距離。因此亟需一套完備的理論體系確定其最優(yōu)的雙井井距。

3.3注水流量優(yōu)選

注水流量是控制溶腔發(fā)展速度的另一重要參數(shù)。確定注入流量的基本原則是:滿足管內(nèi)流體流動的最優(yōu)工作狀態(tài)；盡量使排出的鹵水濃度接近飽和；低水耗,低能耗；滿足建腔周期的要求。注入井內(nèi)溶鹽的水耗量,取決于鹽巖密度、溶解壓力以及水沿著溶蝕表面的運動速度和溶腔中溶解物質(zhì)的轉(zhuǎn)化速度。因此，確定注入流量時，需要考慮鹽的溶蝕速度(上溶溶蝕速度和側(cè)溶溶蝕速度)、側(cè)溶角、溶解壓力、擴散系數(shù)、注水流態(tài)、流線分布、殘渣帶出率等參數(shù)。造腔的注水流量存在上限和下限，上限可以是設(shè)備的最優(yōu)工作排量。當(dāng)腔體容積增大到一定量時，應(yīng)加大注水流量，一般考慮單井注水排量不超過150 m3h，雙井不超過400 m3h。

3.4腔體形態(tài)控制

單井對流法墊層使得腔體較容易控制，腔體形態(tài)容易監(jiān)測，而雙井造腔卻存在一定的困難。為了提高儲氣庫使用壽命,無論是在造腔過程還是在注采氣過程,都必須采取一定措施以保持腔體的穩(wěn)定。因此必須考慮以下幾個方面：

(1)腔體形態(tài)設(shè)計。開展腔體穩(wěn)定性分析等研究，確定腔體運行壓力參數(shù)，防止壓力激變、水擊、鹽巖蠕變甚至夾層垮塌等現(xiàn)象的發(fā)生。

(2)腔體形態(tài)控制與密封性檢測。開展墊層界面控制等研究，密封檢測必須包括造腔前期的全井筒氣密試驗和造腔結(jié)束后的注氣排鹵前的氣密試驗。

(3)腔體形態(tài)監(jiān)測。利用聲納探測分析結(jié)果，利用有限元模擬計算溶腔的動態(tài)特征、應(yīng)力大小、工作壓力范圍、溶腔的閉合或蠕動速度、儲氣庫周期性運行情況，模擬計算溶腔內(nèi)部壓降的變化速度以及其他參數(shù)。

3.5鹵水處理

儲氣庫注水排量大，導(dǎo)致鹵水的處理量也大。鹵水處理過程應(yīng)包含正向過濾和反向過濾，過濾管尺寸可采用7" — 1034"的管柱，處理排量可在100～250 m3h。鹵水可儲存，也可直接運往當(dāng)?shù)刂汽}廠，采用自然蒸發(fā)制鹽，在符合排放標(biāo)準(zhǔn)后可排放。法國相關(guān)管理部門制定的標(biāo)準(zhǔn)為：烴類含量少于2 mgL,有機碳含量少于5 mgL，固態(tài)懸浮顆粒含量少于10 mgL。

4結(jié)語

通過快速建腔手段之一的雙井造腔技術(shù)的應(yīng)用潛力與相關(guān)技術(shù)難點分析，指出了雙井建庫過程中的一些技術(shù)難點及需要深入研究的工藝參數(shù)，建議建立一套雙井建庫的評價準(zhǔn)則，并細化其評價指標(biāo)。

參考文獻

[1] 袁光杰,申瑞臣,田中蘭,等.快速造腔技術(shù)的研究及現(xiàn)場應(yīng)用[J].石油學(xué)報,2006,27(4):139-142.

[2] 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)GEOSCIENCE,2008,22(1):97-102.

[3] LAGUERIE P D, CAMBON J L. Development of New Liquid Storage Caverns at GEOSEL MANOSQUE[C]Solution Mining Research Institute Spring Conference 2010. Clarks Summit：Solution Mining Research Institute, 2010:1-14.

Comprehensive Analysis about Dual Well Solution Mining Technology in Salt Cavern Storages

ZHOUJunchi1,3HUANGMengyun2BANFansheng1ZHENGDongbo1,3

(1. Research Institute of Drilling Engineering and Technology, China Petroleum, Beijing 102200, China;2. Piping Branch of Sichuan Natural Gas Transportaion Company, SINOPEC, Wuhan 430073, China;3. China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China)

Abstract:At present, solution mining in salt cavern mainly adopts the technology of the single well dissolved cavity in our country, but this general technology cannot completely meet the need of salt cavern storage construction in China, especially in the aspects of cavity size, construction cycle, ect. Another technology called dual well operation in solution mining is an effective measure to solve this problem with the advantages of increasing water injection capacity, energy saving, enlarging cavity volume and shortening the period of dissolution. Based on the comprehensive analysis of dual well application abroad, this paper points out that dual well technology should address the aspects of the cavity form design and control, cavity configuration monitoring and process parameters optimization in domestic fields.

Key words:gas storage; salt cavern; dual well; solution mining

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-1980(2016)01-0063-05

中圖分類號：TE972

通信作者：班凡生(1977 — )，男，高級工程師,研究方向為地下儲庫工程。

作者簡介：周俊馳(1990 — )，男，中國石油大學(xué)(北京)在讀碩士研究生，研究方向為地下儲氣庫工程。

基金項目：中國石油集團公司重大科技專項“地下儲氣庫關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”子課題“儲氣庫優(yōu)快鉆完井技術(shù)與裝備研究”(2015E-4003)

收稿日期：2015-04-25