鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建槽階段工況變化對(duì)氣水界面的影響

肖恩山，杜玉潔

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)技術(shù)研究中心，江蘇鎮(zhèn)江 212100）

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)是地下儲(chǔ)氣庫(kù)的重要形式，與枯竭氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)相比，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)周期較長(zhǎng)，主要原因是建造鹽穴腔體（造腔）的時(shí)間較長(zhǎng)，造腔時(shí)間占到鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)周期95 %以上[1-3]。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔分為建槽、腔體擴(kuò)展、封頂三個(gè)階段（見(jiàn)圖1）。建槽是在礦層底部形成一個(gè)倒錐體的溶腔,為對(duì)流生產(chǎn)提供最佳溶解面。

在造腔過(guò)程中，為了防止鹽層過(guò)快上溶，需向井下注入阻溶劑。目前國(guó)內(nèi)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)主要以柴油作為阻溶劑。在國(guó)外的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)過(guò)程中，利用氮?dú)庾鳛樽枞軇┮呀?jīng)有了較長(zhǎng)時(shí)間的歷史。與采用柴油作阻溶劑相比，采用氮?dú)饩哂懈h(huán)保、成本更低的優(yōu)點(diǎn)，因此，采用氮?dú)庾鳛樽枞軇┙ㄔ禧}穴已經(jīng)成為一個(gè)必然的選擇[4-6]。

董建輝等進(jìn)行了鹽穴腔體擴(kuò)展階段以氮?dú)庾鳛樽枞軇┰烨环椒ㄑ芯縖7]，建立了在腔體擴(kuò)展階段以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)層材料時(shí)氣液界面深度的計(jì)算模型（見(jiàn)圖2（a））。該模型中井下氮?dú)怏w積由三部分組成：生產(chǎn)套管與中間管之間的環(huán)空體積V1，裸眼與中間管之間的環(huán)空體積V2，腔體內(nèi)鹵水與鹽巖之間氣態(tài)保護(hù)層的體積V3，在只考慮壓力波動(dòng)的情況下給出了腔體內(nèi)氣水界面穩(wěn)定時(shí)的井口注氣量計(jì)算方法。國(guó)內(nèi)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)也于近年開(kāi)展了氮?dú)庾鳛樽枞軇┰烨唬ㄇ惑w擴(kuò)展階段）的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了在造腔腔體擴(kuò)展階段以氮?dú)庾鳛樽枞軇┑臄?shù)據(jù)。

而在建槽階段如以氮?dú)庾鳛樽枞軇瑢?duì)我國(guó)目前的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)是否適用，還沒(méi)有人進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究。我國(guó)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)均為層狀鹽層、鹽層厚度不大，如在建槽階段不能有效控制氣水界面，氣水界面上升過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致下部鹽層造腔體積的損失，從而影響整個(gè)腔體不能達(dá)到設(shè)計(jì)體積[8-10]。所以在建槽階段控制好氣水界面，從而使腔體底坑盡可能達(dá)到較大體積是十分重要的。

由于建槽開(kāi)始階段井下尚沒(méi)有形成較大的腔體體積，井下氮?dú)怏w積只由兩部分組成[11-13]：生產(chǎn)套管與中間管之間的環(huán)空體積V1，裸眼與中間管之間的環(huán)空體積V2（見(jiàn)圖2（b））。因此，從地面注水開(kāi)始造腔后，井下工況的變化與腔體擴(kuò)展階段是不一樣的，計(jì)算氣水界面的變化應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的因素：

（1）氮?dú)獾膲嚎s性遠(yuǎn)大于柴油，且受壓力、溫度的影響較明顯；

（2）井筒內(nèi)很快就會(huì)出現(xiàn)壓力上升的情況；

（3）井筒內(nèi)很快就會(huì)出現(xiàn)溫度下降的情況；

（4）后續(xù)的造腔過(guò)程會(huì)出現(xiàn)注水壓力的波動(dòng)。

井筒壓力、溫度的變化會(huì)引起氮?dú)怏w積的變化，氮?dú)怏w積收縮，則氣水界面會(huì)上移；氮?dú)怏w積膨脹，氮?dú)饩蜁?huì)混入鹵水中進(jìn)入地面管線及鹵水罐，如氮?dú)饬枯^大，會(huì)帶來(lái)一定的生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)[14，15]。

因此，研究采用氮?dú)庾髯枞軇r(shí)建槽階段氣水界面的變化規(guī)律是很有必要的。

1 計(jì)算方法

1.1 井下阻溶劑空間體積計(jì)算

該體積由兩部分組成：

圖1 造腔建槽、腔體擴(kuò)展、封頂三個(gè)階段

圖2 氮?dú)庾鳛樽枞軇┰烨皇疽鈭D

井口至生產(chǎn)套管鞋井段，生產(chǎn)套管與造腔外管環(huán)空之間體積V1；生產(chǎn)套管鞋至造腔外管管鞋井段之間，裸眼段與造腔外管環(huán)空之間體積V2。

式中：D1-生產(chǎn)套管內(nèi)徑，m；D2-裸眼井段平均直徑，m；D3-造腔外管外徑，m；H1-生產(chǎn)套管深度，m；H2-裸眼段長(zhǎng)度，m；V1-生產(chǎn)套管與造腔外管之間的環(huán)空體積，m3；V2-裸眼與造腔外管之間的環(huán)空體積，m3。

1.2 不同工況時(shí)井下氮?dú)庠跇?biāo)況下所占體積

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，建立井口（標(biāo)況）和井筒內(nèi)氣體狀態(tài)方程：

首先，準(zhǔn)確采集開(kāi)井前和開(kāi)井后井下壓力和溫度。

然后，分別計(jì)算開(kāi)井前和開(kāi)井后兩種工況下，井下空間內(nèi)氮?dú)庠跇?biāo)況下的體積，兩者的差值即為需補(bǔ)注的氮?dú)怏w積（標(biāo)況）[16，17]。

2 計(jì)算實(shí)例

金壇某井主要參數(shù)：井號(hào)J*-*（見(jiàn)表1，表2），直井井深：1 050 m，井口溫度（地面以下2 米左右）：20 ℃，井底溫度：54 ℃，氮?dú)庾髯枞軇⑷氲獨(dú)夂箨P(guān)井。

表1 J*-*井身結(jié)構(gòu)及造腔管柱數(shù)據(jù)

表2 J*-*關(guān)井及開(kāi)井注水造腔時(shí)壓力參數(shù)

根據(jù)公式（1）、（3），首先計(jì)算關(guān)井工況，關(guān)井時(shí)Φ244.5 mm+Φ177.8 mm 環(huán)空平均壓力為10.7 MPa，井筒平均溫度為37 ℃，氮?dú)鈮嚎s因子1.013 4，經(jīng)計(jì)算，關(guān)井工況時(shí)井下氮?dú)庠跇?biāo)況下所占體積為1 937.3 m3。

再計(jì)算開(kāi)井工況，開(kāi)井時(shí)Φ244.5 mm+Φ177.8 mm環(huán)空平均壓力為12.4 MPa，井筒平均溫度為20 ℃，氮?dú)鈮嚎s因子1.008 7，經(jīng)計(jì)算，開(kāi)井工況時(shí)井下氮?dú)庠跇?biāo)況下所占體積為2 386.3 m3。

兩者的差值為450 m3，即為需補(bǔ)注的氮?dú)怏w積（標(biāo)況）。如不及時(shí)補(bǔ)注，氣水界面將上升[18，19]，經(jīng)計(jì)算，上升高度為55.2 m。

3 結(jié)論與建議

（1）在建槽階段以氮?dú)庾鳛樽枞軇?，?duì)我國(guó)目前的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)是可行的；

（2）建槽階段井下尚沒(méi)有形成較大的腔體體積，井下水體體積較小，從地面注水后，井筒溫度下降較大；

（3）建槽階段井下尚沒(méi)有形成較大的腔體體積，與造腔后期相比，井下不能形成阻溶劑墊層，一旦井下溫度、壓力發(fā)生變化，氣水界面就會(huì)隨之發(fā)生波動(dòng)；

（4）建槽階段如以氮?dú)庾髯枞軇?，開(kāi)井后應(yīng)避免工況劇烈變化；

（5）建槽階段如以氮?dú)庾髯枞軇?，開(kāi)井造腔前應(yīng)進(jìn)行工況參數(shù)預(yù)測(cè)，以計(jì)算氮?dú)庋a(bǔ)注量，實(shí)際補(bǔ)注的量暫建議為計(jì)算結(jié)果的1.5 倍，積累經(jīng)驗(yàn)后再適當(dāng)調(diào)整；

（6）補(bǔ)注氮?dú)獾臅r(shí)機(jī)：開(kāi)井時(shí)應(yīng)同時(shí)補(bǔ)注氮?dú)猓?/p>

（7）正常造腔過(guò)程中，如需增加排量，則壓力上升，氣水界面上移，因此也應(yīng)同時(shí)補(bǔ)注氮?dú)?；反之，則壓力下降，氣水界面下移，可能會(huì)有氮?dú)怆S鹵水逸出。