高效利用復雜連通老腔新方法與效果分析

垢艷俠 完顏琪琪 丁國生 鄭雅麗 邱小松 李東旭 李康 冉莉娜

摘 ? 要：鹽礦采鹽過程中形成的老腔資源豐富，將符合改建儲氣庫條件的老腔改建成儲氣庫，既可加快我國儲氣庫建設(shè)進度，還可以降低鹽穴儲氣庫造腔成本。單井單腔老腔改建儲氣庫技術(shù)成熟、效果良好，但對井老腔改建儲氣庫的研究幾乎處于空白。通過對復雜連通對井老腔地質(zhì)條件的研究，利用物質(zhì)平衡法，結(jié)合鉆井井眼軌跡、聲吶檢測結(jié)果構(gòu)建了對井復雜連通老腔的形態(tài)模型，預(yù)測了擬改造老腔的腔體形態(tài)和體積;本著充分利用鹽腔空間，提高空間動用率等原則，提出在原注水井和采鹵井之間新鉆一口鉆至水平通道的排鹵井，實現(xiàn)將鹽腔殘渣中鹵水盡可能排出來增加儲氣庫空間的目標;上述方案通過現(xiàn)場實施，不僅驗證了對井老腔形態(tài)預(yù)測模型的可靠性，也為復雜連通對井老腔腔體的高效利用提供一種有效方法。

關(guān)鍵詞：連通老腔 ?高效利用 ?新方法 ?效果 ?鹽穴儲氣庫

中圖分類號：TE82 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）10（b）-0089-06

Abstract： The old cavities formed in salt mining process are rich in resources， and the old cavities which meet the conditions of reconstruction， can be transformed into gas storage， which can not only accelerate the construction schedule of China's gas storage， but also reduce the building cavity cost of salt cavern gas storage. The technology of rebuilding gas storage with single well and single cavity is mature and effective， but the research on rebuilding gas storage with double well and old cavity is almost blank. Based on the study of the geological conditions of the complex connected old cavities， the model of the complex connected old cavities of the Wells is constructed by using the material balance method and combining the drilling well trajectory and sonar detection results， and the shape and volume of cavities to be reconstructed are predicted. Based on the principle of making full use of salt cavity space and improving space utilization rate， a new halogen discharge well drilled into a horizontal channel between the original injection well and the brine production well is proposed to realize the goal of ?removing brine from the residual salt cavity and increasing the space of gas storage as much as possible;Through field implementation of the above recommended scheme， the halogen discharge well has successfully drilled into the horizontal channel， which not only verifies the reliability of the prediction model of well salt cavity morphology， but also provides an effective method for the efficient use of complex connected old well cavities.

Key Words： Connected old cavity; Efficient use; New method; Effect; Salt cavern gas storage

中國鹽穴儲氣庫建庫地質(zhì)條件相對復雜，與國外鹽丘型儲氣庫建庫條件相比，具有鹽層薄、夾層多、鹽巖品位低等特點[1-4]，受建庫地質(zhì)條件及鹵水接收能力的限制，我國鹽穴儲氣庫建設(shè)速度較慢。我國已建和擬建儲氣庫的鹽礦周圍的鹽化企業(yè)在采鹽過程中形成了大量的鹽腔，據(jù)不完全統(tǒng)計，在我國已建或擬建鹽穴儲氣庫的金壇、云應(yīng)、淮安、平頂山鹽礦有300多個鹽腔[5]。若能將鹽化企業(yè)符合改建儲氣庫條件的老腔改建成儲氣庫，將有效增加我國儲氣庫的儲氣規(guī)模，不僅會加快我國儲氣庫建設(shè)進度，還可以降低鹽穴儲氣庫工程建設(shè)成本。

中石油、中石化及鹽化企業(yè)已在金壇鹽礦利用采鹵老腔成功改建10個單井老腔用于儲氣，已形成單井單腔老腔篩選、評價、改造利用等配套技術(shù)手段。而對于大量的對井老腔改建儲氣庫的研究幾乎處于空白。通過大量的研究工作，構(gòu)建了對井老腔的模型，提出了高效利用對井老腔的新方法。通過鉆井實施，成功鉆至水平通道，不僅證實預(yù)測模型的可靠性，也為高效利用復雜連通對井老腔奠定了基礎(chǔ)。

1 ?擬改造老腔形態(tài)模型構(gòu)建及預(yù)測

擬改造的老腔為一對井采鹽老腔，注采井1和注采井2井口相距約330m。擬改造老腔所處鹽礦由于含鹽地層夾層多、水不溶物含量高、生產(chǎn)造腔過程無油墊控制，導致鹽腔形態(tài)復雜，加之注采井1和注采井2井口距大，聲吶檢測設(shè)備無法完全探測該對井老腔形態(tài)及體積，需在老腔聲吶檢測基礎(chǔ)上，利用物質(zhì)平衡法，結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)和井軌跡對注采井1-注采井2 老腔形態(tài)進行預(yù)測。

1.1 鹽腔總體積估算

擬改造的老腔有完整的注采造腔生產(chǎn)記錄，根據(jù)注水量、采鹵量、鹵水濃度、NaCl含量可估算采出鹽的體積及動用的含鹽地層的體積。

擬改造的老腔已注水737.5萬m3，采鹵678.1萬m3，按照采鹵濃度300g/L，鹽密度2160kg/m3，折算采鹽體積為94.2萬m3;按采鹵地層平均NaCl含量為55%，估算動用含鹽地層地下空間體積171.2萬m3。

1.2 鹽腔形態(tài)模型構(gòu)建及預(yù)測

目前檢測鹽腔的設(shè)備主要是聲吶儀器，聲吶儀器檢測鹽腔直徑范圍150m左右，主要應(yīng)用于單井單腔檢測。我國建庫地質(zhì)條件復雜，夾層多，水不溶物含量高，鹽腔被大量殘渣占據(jù)，鹽礦對井開采形成大量老腔，但開采對井井距在300m左右，聲吶儀器無法檢測到對井老腔中水平通道，進而對對井老腔的形態(tài)未知。筆者假設(shè)了3種鹽腔形態(tài)模型，以水平通道的高低將鹽腔劃分為高通道鹽腔（圖1-a）、中通道鹽腔（圖1-b）、低通道鹽腔（圖1-c）等3種鹽腔形態(tài)。

根據(jù)擬改造老腔的高度和動用的含鹽地層的體積分析，若擬改造鹽腔的水平通道為高通道和中通道，估算的鹽腔總體積將遠遠超過物質(zhì)平衡法估算的動用含鹽地層地下空間體積（171.2萬m3），因此擬改造鹽腔為高通道和中通道鹽腔的可能性極小。

為了準確構(gòu)建擬改造鹽腔的形態(tài)模型，以注采井1-注采井2含鹽地層地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，利用物質(zhì)平衡法，結(jié)合鉆井井眼軌跡、聲吶檢測結(jié)果，構(gòu)建和預(yù)測對井鹽腔形態(tài)。首先以聲吶檢測技術(shù)落實了對井部分腔體形態(tài)，再通過采鹽量、造腔體積、堆積系數(shù)等參數(shù)的物質(zhì)平衡計算，建立了新的“低通道”模型。初步預(yù)測擬改造老腔呈U型形態(tài)，注采井1為水平井，造斜點以上呈近似圓柱體，造斜點以下至水平段起點呈近似圓錐體，兩井水平通道呈近圓柱體;注采井2為直井，鹽腔形態(tài)近似圓柱體（圖2）。

預(yù)測鹽腔形態(tài)由A、B、C、D四部分組成（圖2），A為注采井1造斜點以上至腔頂?shù)捉鼒A柱體（1370-1305.7m），B為注采井1造斜點至水平段起點近圓錐體（1370-1490m），C為水平連通通道近圓柱體，D為注采井2直井鹽腔近圓柱體（1322-1480m）。

（黑色部分是聲吶檢測形態(tài)，紅線是井眼軌跡，陰影部分是不溶物殘渣）

鹽腔各部分形態(tài)體積計算公式如下：

A=πR12h1

B=πR22h2/3

D=πR32h3

C=πR42h4

其中R1、R3、R4為分別為A、D、C部分的半徑、R2為B部分的最大半徑;h1、h2、h3為A、B、D的高度，h4為C部分長度。

根據(jù)有關(guān)參數(shù)計算出A、B、D部分總體積146.5萬m3（如表1）。

由于水平通道的高度（即C部分的直徑）無法直接獲得，故水平連通通道C體積的計算采用間接法求取。

水平連通通道C體積=鹽腔總體積-聲吶測腔體積-（A+B+D）體積。

鹽腔總體積采用物質(zhì)平衡法估算的結(jié)果（171.2萬m3），聲吶測腔體積取注采井1、注采井2實測值17.1萬m3，故C通道的體積為7.6萬m3。根據(jù)連通通道體積及井距，計算可得出水平段平均高度約為19.8m。

注采井1中的3鹽群底部發(fā)育一套5.7m厚夾層（1453.8-1459.5m），注采井2中的4鹽群底部發(fā)育一套5.58m厚夾層（1445.22-1450.8m）。因注采井1-注采井2造腔過程中水平段鹵水已接近飽和，鹽巖上溶速度較慢，夾層難以垮塌，估算水平連通通道高度最大約30m。

2 ?老腔利用方案

2.1 改造利用方案

本著盡可能提高鹽腔空間動用率，將鹽腔中及水平連通通道堆積的殘渣中鹵水排出以擴大鹽腔有效儲氣空間的原則，提出在注采井1-注采井2之間新鉆一口排鹵井，排鹵井鉆至水平連通通道內(nèi)（見圖3），排鹵管柱下入水平連通通道內(nèi);注采井1-注采井2經(jīng)工程驗證其密封合格后用于注采氣。通過向注采井1、注采井2注氣，使鹽腔壓力逐漸提高，鹽腔及堆積殘渣中的鹵水通過新鉆排鹵井逐漸排出，最終將位于排鹵管排鹵口以上的鹵水有效排出。

2.2 效果預(yù)測

（1）殘渣空隙空間可行性分析。

我國鹽穴儲氣庫大多建設(shè)在可溶鹽層與不溶夾層間互發(fā)育組成的層狀鹽巖中，含有較多難溶雜質(zhì)，水溶造腔過程中不溶物垮塌、膨脹堆積在鹽腔底部，形成了殘渣，占據(jù)部分空間，損失了部分儲氣空間。

殘渣形成過程是造腔段中所含的不溶物在造腔的過程溶解剝落，呈顆?；驂K狀沉降至腔底，然后浸泡在水中，同時隨著殘渣高度的增加，底部的殘渣會受到其上覆殘渣堆積的重量壓實作用。基于這種過程開展系列實驗來分析底部殘渣空隙空間是否有利用。

實驗過程：首先選擇不同巖性的夾層樣品，進行描述后粉碎，得到夾層干樣的碎脹系數(shù);對粉碎的樣品進行組分分析得到樣品的不溶物含量;通過浸水試驗得到殘渣遇水的初始膨脹系數(shù)，經(jīng)沉降后得到殘渣的堆積系數(shù);通過充分壓實試驗得到殘渣的含水率;通過模擬腔底堆積物的壓力情況分析殘渣在造腔工況下的堆積體積;通過氣驅(qū)水試驗測量注氣后排出數(shù)量，分析氣體占據(jù)殘渣的空間

通過一系列的組分實驗、侵水實驗、壓實氣驅(qū)實驗和滲透率測試實驗，開展殘渣空隙空間可行性分析，實驗數(shù)據(jù)表明殘渣未經(jīng)自重壓實作用時，殘渣堆積體空隙率達到42.8%～51.9%，平均空隙率48.3%;經(jīng)過上覆殘渣自重壓力壓實（120m高度約1MPa）后空隙率降低22.7%～38.2%（見圖4），平均降低30.5%，剩余空隙率為17.8%;滲透率測試結(jié)果表明氣相滲透率約為0.041～3.729Md，具備一定的滲流能力。因此，鹽腔底部殘渣具備一定空隙空間，且該空隙空間中的鹵水可以通過注氣排鹵的方法排出，從而提高鹽腔儲氣空間。

（2）預(yù)測效果分析。

為排出鹽腔內(nèi)更多鹵水，盡可能將排鹵管柱下至鹽腔水平連通通道的低部位。由于水平通道具體形態(tài)及水不溶物殘渣堆積高度難以預(yù)測，因此，新鉆排鹵井在鉆入水平通道后，在可能的情況下探測水平通道的底部深度。

通過對注采井1、注采井2注氣，使鹽腔壓力逐漸提高，鹽腔中的鹵水通過新鉆排鹵井逐漸排出，最終將位于排鹵管排鹵口以上鹵水有效排出（即排出鹽腔實測有效空間及A、E、F部分殘渣占據(jù)空間中鹵水，見圖5）。

根據(jù)鹽化企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及鹽腔形態(tài)預(yù)測，估算造腔動用地下鹽巖地層總體積為171.2萬m3，采出鹽體積為94.2 萬m3，不溶物原始體積77萬m3。根據(jù)預(yù)測腔體形態(tài)A、E、F體積估算結(jié)果（見表2），利用鉆達水平通道的排鹵井排鹵，可排出占據(jù)A、E、F空間的134萬m3殘渣中鹵水。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合的壓實曲線y=6.5523ln（x）+ 33.264，殘渣高度約160～180m時，其對應(yīng)的自重壓力約為1.4MPa，減小空隙率為35.7%，未壓實前空隙率按照48.3%估算，剩余空隙率約為12.6%。注采井1-注采井2的老腔剩余空隙體積約為16.8萬方。氣驅(qū)實驗驅(qū)替體積比例為總體積的1.9%，合計增加2.5萬方有效儲氣空間，增加儲氣體積比例14.6%。由于氣驅(qū)實驗為實驗裝置底部見氣泡后停止實驗，較實際能驅(qū)替值小，假設(shè)注氣排鹵井能排出殘渣空隙中50%的鹵水，將增加8.4萬方有效儲氣空間，增加儲氣體積比例49.1%（見表3）。

3 ?應(yīng)用前景

根據(jù)老腔改造利用方案，在擬改造老腔開展了先導性試驗排鹵井的鉆探。實鉆結(jié)果顯示，位于注采井1和注采井2之間的排鹵井鉆至1477m進入水平通道，于1486m探到水平通道底部，排鹵井實鉆水平通道高度9m。初步分析認為，實鉆的水平通道的高度與形態(tài)與預(yù)測的水平通道高度與形態(tài)誤差不大，該腔體屬于低水平通道。該排鹵井的鉆探成功不僅驗證了對井鹽腔形態(tài)預(yù)測模型的可靠性，也為復雜連通對井老腔腔體的高效利用提供一種有效方法。

若該改造利用方案應(yīng)用于我國已建或擬建鹽穴儲氣庫的金壇、云應(yīng)、淮安、平頂山等鹽礦，將鹽化企業(yè)符合改建儲氣庫條件的老腔改建成儲氣庫，將有效增加我國儲氣庫的儲氣規(guī)模，不僅會加快我國儲氣庫建設(shè)進度，還可以降低鹽穴儲氣庫工程建設(shè)成本。

4 ?結(jié)論與認識

（1）我國地下復雜連通老腔資源豐富，科學合理地利用老腔進行儲氣，對我國儲氣庫發(fā)展意義重大。

（2）以含鹽地層地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，利用物質(zhì)平衡法，結(jié)合鉆井井眼軌跡、聲吶檢測結(jié)果，可構(gòu)建和預(yù)測對井鹽腔形態(tài)。

（3）在對井之間鉆探一口排鹵井可大幅度排出鹽腔內(nèi)殘渣空隙內(nèi)鹵水，提高鹽腔空間利用率。

（4）復雜連通老腔改造先導性試驗驗證了復雜連通對井老腔為低水平通道的鹽腔模型的可靠性。

（5）復雜連通老腔改造新技術(shù)的利用和推廣，有利于大幅度加快鹽穴儲氣庫建設(shè)進度，提高儲氣調(diào)峰能力。

參考文獻

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