深層鹽穴儲氣庫造腔及注采技術(shù)分析

班 凡 生

(1. 中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院， 北京 102206；2. 中國石油天然氣集團公司鉆井工程重點實驗室， 北京 102206)

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深層鹽穴儲氣庫造腔及注采技術(shù)分析

班 凡 生1,2

(1. 中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院， 北京 102206；2. 中國石油天然氣集團公司鉆井工程重點實驗室， 北京 102206)

摘要：針對深鹽層鹽穴儲氣庫造腔及注采過程中常見的造腔管柱彎曲、井筒遇阻等現(xiàn)場施工問題，提出深層鹽穴儲氣庫建庫的井身質(zhì)量要求、造腔管柱及配套設(shè)施、注氣排鹵管柱組合以及注采壓力確定技術(shù)方案。深鹽層儲氣庫造腔及注采現(xiàn)場施工過程中，應(yīng)采取加強設(shè)計及施工措施論證、造腔及注采施工監(jiān)督、嚴(yán)格控制井斜、造大底部腔體等技術(shù)措施，規(guī)范深層鹽穴儲氣庫建庫現(xiàn)場施工。

關(guān)鍵詞：儲氣庫； 鹽巖； 鉆完井； 造腔； 注采

鹽穴儲氣庫建腔，是指利用水溶的方法在地下形成一定空間，在此空間儲存天然氣。常用的建腔方法為單井對流法[1-2]， 鹽穴儲氣庫建造的鹽層深度通常為1 000 m左右。在我國南部地區(qū)，為了滿足天然氣用戶需求，一般選在2 000 m深的鹽層來建造鹽穴儲氣庫[3]。在此深度的較大地層壓力加大了儲氣庫造腔及注采的難度，深層鹽穴儲氣庫造腔及注采技術(shù)必須改進。

本次研究針對深層鹽穴儲氣庫造腔現(xiàn)場施工中存在的問題及其產(chǎn)生的原因進行分析，分別詳述深層鹽穴儲氣庫的鉆完井、溶腔、注氣排鹵、注采氣等幾種常用關(guān)鍵技術(shù)，有針對性地提出深層鹽巖造腔及注采現(xiàn)場施工建議。

1現(xiàn)場存在的問題

鹽穴儲氣庫建造在地下2 000 m深的鹽層，地層壓力較大，使得造腔技術(shù)難度加大，整個造腔及注采期間出現(xiàn)不少問題。圖1所示為造腔及注采現(xiàn)場問題圖片。

首先，油管變形。鹽穴儲氣庫造腔施工過程中，井底部油管嚴(yán)重變形，呈“S”狀，且在提最后一個7″套管時，發(fā)現(xiàn)套管自上而下13處有明顯斷裂。分析認(rèn)為，導(dǎo)致油管變形的主要原因是膏質(zhì)泥巖水化膨脹、巖鹽蠕變和地層滑移。

其次，井筒遇阻。儲氣庫井在進行通井、聲納測腔過程中，存在井筒遇阻現(xiàn)象。分析認(rèn)為井筒遇阻的主要原因是泥巖夾層未徹底坍塌、腔底抬升和變形點領(lǐng)眼偏離原井眼。

圖1　造腔及注采現(xiàn)場問題圖片

產(chǎn)生以上問題的原因是，深層鹽穴儲氣庫造腔現(xiàn)場施工中，底部井筒可能存在縮頸、錯開、井斜等3種異常情況(見圖2)。

2主要造腔及注采技術(shù)

2.1鉆完井技術(shù)

在開始進行鹽穴儲氣庫造腔前，需要鉆開一口直井，鉆井過程中須嚴(yán)格控制井斜。鹽穴儲氣庫是通過上下提拉造腔管柱進行分階段溶腔，同時在造腔各階段要下入聲納設(shè)備進行測腔。如果鉆井中井斜控制不當(dāng)，則上下提拉管柱及測井設(shè)備就會遇阻而無法繼續(xù)鉆進。在深度2 000 m左右的鹽層建設(shè)鹽穴儲氣庫時，建議鉆井過程將全角變化率控制在1.5°以內(nèi)。

圖2　底部井筒3種異常情況示意圖

鹽穴儲氣庫注采氣運行過程中，腔體內(nèi)壓力交替變換，對鹽穴儲氣庫固井的質(zhì)量要求較高。建在2 000 m深處的儲氣庫最高注采運行壓力可超過30 MPa，大約是1 000 m深儲氣庫最高注采運行壓力的2倍，對固井質(zhì)量的要求更高。

儲氣庫完成鉆井之后需要進行地層試壓，以檢驗地層的密封性。試壓時，采用雙封隔器分層試壓方法，試壓層位分別為蓋層、鹽層、鹽間層及底板巖層[4]。地層試壓的壓力應(yīng)以儲氣庫注采運行的最高壓力為準(zhǔn)，試壓值為儲氣庫最大運行壓力的1.1倍。建于1 000 m深的鹽穴儲氣庫最高注采壓力為17 MPa，試壓壓力為18.7 MPa；建于2 000 m深的鹽穴儲氣庫最高注采壓力為32 MPa，試壓壓力為35.2 MPa。深層鹽穴儲氣庫注采過程中需要大量墊氣，以保證儲氣庫在采氣后期腔體內(nèi)壓力滿足穩(wěn)定性的要求。

2.2溶腔技術(shù)

鹽穴儲氣庫造腔施工期間，起下造腔管柱、事故處理、通井作業(yè)時會用到修井機。為了保證造腔施工的正常進行，在不同深度的鹽層建腔，所選用修井機的安全級別也不一樣。在1 000 m深的鹽層建腔，選擇負(fù)重不低于80 t的修井機；在2 000 m深的鹽層建腔，選擇負(fù)重不低于135 t的修井機。

地面注水泵壓是管柱內(nèi)流動摩阻、造腔管柱內(nèi)外濃度差產(chǎn)生的壓力，以及地面管線壓力損耗、井口返出鹵水壓力之和。隨著鹽層深度的增加，管柱流動摩阻增大，鹵水和淡水造腔內(nèi)外管柱濃度差產(chǎn)生的壓力也增大。相對淺鹽層造腔，地面注水泵的壓力級別大，不同深度鹽層建腔，地面注水泵壓力級別不同。在1 000 m深的鹽層建腔，注水泵壓力應(yīng)為12 MPa；在2 000 m的深鹽層建腔，注水泵壓力應(yīng)為16 MPa[5]。

鹽穴儲氣庫造腔施工的安全性至關(guān)重要。造腔井口必須采取相應(yīng)安全措施，保證造腔內(nèi)管與環(huán)空的注水排量及鹵水采出速率符合設(shè)計要求，井口套管頭、套管四通、油管四通、采油樹及相應(yīng)的配件也需滿足儲氣庫的壓力要求。

深層鹽穴儲氣庫造腔井口裝置壓力級別較高。在1 000 m深鹽層建腔時井口裝置壓力級別應(yīng)不小于20 MPa，在2 000 m深鹽層建腔時井口裝置壓力級別應(yīng)不小于40 MPa，這樣才能保證造腔施工正常進行。

鹽穴儲氣庫造腔管柱的設(shè)計原則是，先選擇造腔內(nèi)管，再綜合分析不同造腔管柱組合循環(huán)壓耗結(jié)果，最后優(yōu)選鹽穴儲氣庫造腔外管。國內(nèi)氣田目前常用2種造腔管柱組合：一種組合是“造腔外管Φ177.8 mm+造腔內(nèi)管Φ114.3 mm”，主要用于1 000 m深鹽層地下儲氣庫造腔；另一種組合是“造腔外管Φ177.8 mm+造腔內(nèi)管Φ88.9 mm”，主要用于2 000 m深鹽層地下儲氣庫造腔。表1所示為造腔管柱具體參數(shù)。

表1　造腔管柱數(shù)據(jù)具體參數(shù)

2.3注氣排鹵技術(shù)

鹽穴儲氣庫造腔完成后，即可開始注氣排鹵作業(yè)，作業(yè)目的是通過注入天然氣排出腔體內(nèi)的鹵水。注采管柱的設(shè)計不僅要滿足儲氣庫注氣排鹵的需要，而且要滿足注采氣運行的要求，注氣排鹵后無須取出排鹵管柱，注采氣井選用油管注采方式。深鹽層儲氣庫注采運行壓力大，注采管柱性能要求高，還須滿足注采運行交替壓力的變化；因此，在允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡量選用大尺寸管柱，這樣可以降低注氣排鹵時的施工壓力，保障施工安全。

在注氣排鹵后起出排鹵管柱的過程中進行不壓井作業(yè)，深鹽層儲氣庫的較高壓力增加了不壓井作業(yè)的技術(shù)難度，不壓井設(shè)備及工藝要求較高。建于2 000 m深鹽層的儲氣庫溶腔內(nèi)壓力較大，不壓井作業(yè)壓力超過30 MPa，現(xiàn)有的不壓井作業(yè)技術(shù)能夠滿足深度2 000 m儲氣庫注氣排鹵施工的要求。

依據(jù)由內(nèi)向外的原則，選用注采管柱; 對比不同注氣排鹵管柱組合的壓力損耗，選用注氣排鹵外管柱。在深鹽層鹽穴儲氣庫實施注氣排鹵時，可以選用的管柱組合為“Φ177.8 mm+Φ114.3 mm”和“Φ177.8 mm+Φ88.9 mm”。若對儲氣庫注采能力要求較高，則選用“Φ177.8 mm+Φ114.3 mm”組合，原因是其管柱壓力損耗較低。

2.4注采氣運行技術(shù)

鹽穴儲氣庫注采運行壓力的確定是難點，必須綜合考慮地質(zhì)、工程條件等因素，不能單憑主觀經(jīng)驗來確定。在確定鹽穴儲氣庫最大運行壓力時，首先要滿足氣體的密封性。這是因為腔體內(nèi)壓力過大，若超過突破壓力，氣體就會泄漏，形成安全隱患。在確定儲氣庫最低運行壓力時，主要應(yīng)考慮腔體穩(wěn)定性的影響。這是因為腔體內(nèi)壓力過小，鹽巖蠕變作用會使腔體的體積進一步縮小，腔體體積損失可能導(dǎo)致腔體塌陷。因此，在儲氣庫注采過程中，要合理地控制儲氣庫運行壓力區(qū)間。不同深度鹽層建設(shè)的鹽穴儲氣庫，其儲庫運行期間注采壓力不同。

3結(jié)語

深鹽層鹽穴儲氣庫造腔及注采過程中，會出現(xiàn)較多的現(xiàn)場施工問題，如造腔管柱彎曲、井筒遇阻等。

為了盡可能地避免出現(xiàn)問題，在此提出針對深鹽層儲氣庫造腔及注采現(xiàn)場施工的幾點建議：

(1)加強作業(yè)施工的設(shè)計及施工措施的詳細(xì)論證工作，確定合理的作業(yè)技術(shù)數(shù)據(jù)，充分考慮可能造成的風(fēng)險，盡量避免因作業(yè)施工造成的偏差。

(2)加強造腔及注采施工過程的監(jiān)管，嚴(yán)格按照設(shè)計施工，確保及時準(zhǔn)確地錄取相關(guān)數(shù)據(jù)，為地下情況分析提供可靠依據(jù)。

(3)從后期造腔及注采工程角度考慮，儲氣庫井鉆井過程中須嚴(yán)格控制井斜，否則在上下起提造腔管柱及測井設(shè)備的過程中易導(dǎo)致井筒遇阻。

(4)造腔過程應(yīng)將下部腔體造大，否則上部厚夾層不易垮塌，腔底抬升過快。

參考文獻

[1] 班凡生,肖立志,袁光杰,等.鹽穴儲氣庫快速建槽技術(shù)研究及應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),2012,32(9)：77-79.

[2] 班凡生.鹽穴儲氣庫水溶建腔優(yōu)化設(shè)計研究[D].北京：中國科學(xué)院研究生院,2008：11-12.

[3] YUAN G J,SHEN R C, TIAN Z L, et al. Review of Underground Gas Storage in the Bedded Salt Deposit in China[G].SPE 100385,2006.

[4] 申瑞臣,魏東喉,田中蘭,等.已有采鹵老腔改建儲氣庫工程技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2007：235-236.

[5] 班凡生,高樹生.巖鹽儲氣庫水溶建腔優(yōu)化設(shè)計研究[J].天然氣工業(yè),2007,27(2)：114-116.

Solution Mining and Injection-Production Technology of Gas Storage in Deep Salt Bed

BANFansheng1,2

(1. Drilling Engineering Technology Research Institute of China Petroleum Group, Beijing 102206, China;2. Key Laboratory of Drilling Engineering of China National Petroleum Corporation, Beijing 102206, China)

Abstract:There are some site construction problems in the process of gas storage construction in deep salt bed, such as solution mining tube bending, wellhole resistance and so on. Some key technologies are put forward about storage construction in deep salt bed, including wellbore quality requirements, solution mining tube and supporting facilities, gas injection and brine discharge tube and injection & production pressure confirmation. We should strengthen designing and construction, supervise construction of solution mining and injection & production, control well deviation strictly, build large bottom cavity so as to guide the construction in deep salt cavern gas storage.

Key words:gas storage; salt rock; drilling and completion; solution mining; injection-production

收稿日期：2015-09-15

基金項目：中國石油集團公司儲氣庫重大專項“儲氣庫優(yōu)快鉆完井技術(shù)與裝備研究”(2015E-4003)

作者簡介：班凡生(1977 — )，男，山東濟寧人，博士，高級工程師，研究方向為地下儲氣庫工程技術(shù)。

中圖分類號：TE375

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-1980(2016)02-0062-03