鹽穴地下儲(chǔ)采技術(shù)

鄭雅麗，賴 欣，邱小松，垢艷俠，李 康

(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北 廊坊 065007；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限 公司 油氣地下儲(chǔ)庫(kù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065007)

鹽穴(Salt Cavern)是指在含鹽地層或鹽丘中利用鉆井注入水等溶劑使鹽巖溶解形成的地下空腔。鹽礦(井礦鹽)開(kāi)采中常稱作“溶腔”，也有文章中稱作“老腔”。而當(dāng)被用來(lái)儲(chǔ)存其它物質(zhì)時(shí)，一般稱作“鹽穴”。單個(gè)鹽穴常稱作“單腔”或“腔體”。

中國(guó)最早的鹽巖開(kāi)采始于戰(zhàn)國(guó)末期，秦國(guó)蜀郡守李冰于公元前256年～前251年在今四川省雙流、成都、華陽(yáng)一帶，開(kāi)鑿鹽井，汲鹵煎鹽。20世紀(jì)60年代，井礦鹽生產(chǎn)有了初步發(fā)展，當(dāng)時(shí)井礦鹽的年產(chǎn)量不過(guò)數(shù)十萬(wàn)噸。井礦鹽的開(kāi)采有旱采與水溶開(kāi)采兩種方式。與旱采法(從地下或地面通過(guò)挖掘的方式直接采鹽)相比, 鉆井水溶法具有投資少、見(jiàn)效快、生產(chǎn)工序簡(jiǎn)單，能耗較少等優(yōu)勢(shì)。

20世紀(jì)50年代起，為了提高單井產(chǎn)量與采鹵濃度，引用石油行業(yè)的水力壓裂技術(shù)。自1970年應(yīng)城鹽礦對(duì)井壓力水溶技術(shù)實(shí)施成功后，迅速在湖北、四川、云南和江西等地鹽礦開(kāi)采中推廣[1]。其后為了解決壓裂連通成功率低等問(wèn)題，將定向鉆井技術(shù)應(yīng)用于井礦鹽開(kāi)采中形成定向?qū)泳芊╗2-3]。隨著西氣東輸長(zhǎng)距離輸氣管道工程的建設(shè)，2000年左右開(kāi)始論證江蘇金壇儲(chǔ)氣庫(kù)[4]，并于2005年、2007年分別投產(chǎn)了5口改造的老腔、1口新腔，標(biāo)志著中國(guó)開(kāi)啟了利用鹽穴儲(chǔ)存天然氣的歷史。

1 鹽穴地下儲(chǔ)存物質(zhì)

地下鹽穴可以用來(lái)處置工業(yè)制堿產(chǎn)生的廢渣與核廢料、儲(chǔ)存石油天然氣及氦氣等。

(1)工業(yè)制堿產(chǎn)生廢渣回填。

純堿工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位，但在其生產(chǎn)工藝中會(huì)產(chǎn)生大量的廢渣(即堿渣，300 kg/t～500 kg/t)。堿渣一般采用地面深埋或遠(yuǎn)海傾倒的方法處理。因堿渣中含有可溶鹽類，不僅耗資大，還可能造成環(huán)境污染。

將堿渣沉降固液分離出來(lái)的不可溶固體采用制漿技術(shù)調(diào)制成一定粘度的液體通過(guò)泥漿泵等注入地下溶腔中。堿渣漿液注入溶腔后，會(huì)慢慢沉淀，逐漸在腔底趨于穩(wěn)定。該項(xiàng)技術(shù)已在江蘇淮安鹽礦、湖北云應(yīng)鹽礦等地實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)鹽化工產(chǎn)業(yè)鏈綠色循環(huán)生產(chǎn)的同時(shí)充分利用了地下鹽礦資源[5-8]。

(2)核廢料儲(chǔ)存。

隨著核原料廣泛應(yīng)用于核電站、軍工、科研、醫(yī)院醫(yī)療機(jī)構(gòu)等，以及核廢料對(duì)環(huán)境和人類安全的巨大危害，核廢料的安全處置是關(guān)系到科技發(fā)展和保證國(guó)民安全的大事。

目前核廢料主要有海洋處置、海底大陸架沉積層掩埋、地下深部巖層建造核廢料處置庫(kù)三種方法，前兩種方法實(shí)踐證明具有一定的安全隱患，易造成核污染，笫三種是世界上公認(rèn)安全可行的方法[9]。

美國(guó)和德國(guó)已經(jīng)成功利用地下鹽穴儲(chǔ)存核廢料。將核廢料儲(chǔ)存在地下500 m～1 500 m含鹽地層的鹽穴中，因鹽層本身具有封閉性和抗泄露的特性，可以保證核廢料長(zhǎng)時(shí)間安全不泄露。據(jù)俄羅斯科學(xué)家模擬預(yù)測(cè)，埋藏在鹽穴中的核廢料，經(jīng)過(guò)300 a在鹽層中的擴(kuò)散污染距離僅8 m，說(shuō)明利用地下鹽穴處置核廢料安全性好，符合環(huán)保要求。

鹽穴處置核廢料工藝過(guò)程如下：鹽穴造腔與注入空氣排鹵之后，井口安裝承壓密閉裝置，保持腔內(nèi)壓力恒定，采用不壓井作業(yè)取出排鹵管柱，然后利用吊車(chē)將裝有核廢料直徑小于井筒套管內(nèi)徑、長(zhǎng)度3 m～5 m的筒形防輻射處置箱送入密閉的井口，再通過(guò)纜繩送入井底。當(dāng)核廢料基本填滿腔體后，向腔內(nèi)灌注水泥漿充填廢料罐之間的空隙，最后井筒中注水泥封固[10]。

我國(guó)是一個(gè)產(chǎn)鹽大國(guó)，鹽礦資源豐富，地下含鹽地層厚度從幾米到幾百米，面積從幾十平方公里到上百平方公里，具備了建設(shè)核廢料處置庫(kù)的地質(zhì)條件。隨著我國(guó)核軍事的發(fā)展和核能的開(kāi)發(fā)利用，不可避免地會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)多的具放射性的工業(yè)廢料，鹽穴將成為核廢料處置的主要方法之一。

(3)石油天然氣儲(chǔ)存。

中國(guó)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)至今已有20 a歷史，經(jīng)歷了從無(wú)到有、從技術(shù)探索到成熟的建設(shè)歷程[11]，目前已經(jīng)成功利用鹽礦已有的老腔[12-13]，以及按照儲(chǔ)氣庫(kù)技術(shù)要求建造的新腔[14]儲(chǔ)存天然氣，并發(fā)揮采氣調(diào)峰的重要作用。

我國(guó)有3家企業(yè)在金壇地區(qū)建造儲(chǔ)氣庫(kù)，中石油2007年完成5個(gè)老腔的改造，形成工作氣量5 000×104m3，港華燃?xì)庖嘣诮饓脑炝?個(gè)老腔，形成工作氣量8 800×104m3[15]。在新腔建造方面，中石油設(shè)計(jì)工作氣量16.5×108m3，2010年投產(chǎn)；中石化設(shè)計(jì)工作氣量6.8×108m3，2016年投產(chǎn)；港華燃?xì)庠O(shè)計(jì)工作氣量1.8×108m3。

(4)氦氣儲(chǔ)存。

氦氣是一種無(wú)色、無(wú)味的稀有氣體，具有不易液化、穩(wěn)定性好、擴(kuò)散性強(qiáng)、溶解度低等性質(zhì)，是國(guó)防軍工和高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可或缺的稀有戰(zhàn)略性物資之一，在醫(yī)療、半導(dǎo)體、超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、光電子產(chǎn)品生產(chǎn)、金屬制造、石化、制冷、管道檢漏、深海潛水、高精度焊接等領(lǐng)域中發(fā)揮了不可替代的作用。

通過(guò)與國(guó)外交流獲悉，在美國(guó)與俄羅斯有氦氣儲(chǔ)存的成果經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)于1945年開(kāi)始將消費(fèi)剩余的氦氣注入德克薩斯州克里夫賽德氣田枯竭氣田中建成世界上第一座氦氣儲(chǔ)庫(kù)。俄羅斯于1979年～1991年期間在奧倫堡凝析氣田的卡爾加雷含鹽構(gòu)造中先后建造6個(gè)腔體用于儲(chǔ)存氦氣，建成世界第一座鹽穴氦氣儲(chǔ)庫(kù)。

我國(guó)氦氣資源匱乏，1964年四川盆地威遠(yuǎn)氣田震旦系氣藏發(fā)現(xiàn)氦氣。20世紀(jì)70年代，在自貢建成國(guó)內(nèi)唯一的一套天然氣提氦裝置，后因資源枯竭及制備氦的成本高于國(guó)外銷售價(jià)格，于2004年關(guān)閉[16]。20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)了塔里木盆地塔北地區(qū)高含氦量氣井(氦氣含量0.23%～0.61%)。近年來(lái)在渭河盆地、松遼盆地北部、塔里木盆地西南部、柴達(dá)木盆地阿爾金山前東段及柴北緣、準(zhǔn)噶爾盆地均有一定發(fā)現(xiàn)。塔里木盆地和田河氣田年產(chǎn)天然氣約2.7×108m3，其中氦氣產(chǎn)量81×104m3，但由于缺少氦氣分離裝置，氦氣相關(guān)經(jīng)濟(jì)損失4 520萬(wàn)元[17-18]。隨著和田河周緣天然氣的后續(xù)探明、投產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)損失將更大。因此急需參考美國(guó)與俄羅斯的經(jīng)驗(yàn)探索建立中國(guó)的氦氣儲(chǔ)庫(kù)。

2 造腔工藝技術(shù)

無(wú)論是利用鹽穴處置廢渣與廢料還是儲(chǔ)存油氣與氦氣資源，首選是建造地下鹽穴(圖1)。

圖1 鹽礦采鹵形成腔體形態(tài)圖[19]Fig.1 Cavity shapes after solution mining

鹽礦開(kāi)采過(guò)程中采用了兩種水溶采鹵造腔方式，一是單井單腔(圖1a)，二是通過(guò)對(duì)井開(kāi)采形成的連通老腔。對(duì)井老腔連通方式有壓裂連通、水平對(duì)接連通(圖1b)和自然溶通(圖1c)三種[19]。鹽礦采鹵作業(yè)中通常不調(diào)整管柱位置，不注入水溶阻溶劑。金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)采用的是單井單腔調(diào)整造腔管柱位置與柴油阻溶劑的位置從下至上逐層造腔。

2.1 造腔階段

地下腔體由底槽、主體、腔頂三個(gè)部分組成，對(duì)應(yīng)建槽期、造腔期、腔頂形成期三個(gè)造腔階段。

建槽期。通過(guò)注入水等溶劑在裸眼段進(jìn)行鹽巖溶解，水平方向形成縫狀腔體，形狀呈槽狀，稱為底槽。底槽是造腔過(guò)程中實(shí)現(xiàn)鹽巖地下溶解可控的必要要素。該階段造腔管柱下入的位置非常重要，要盡量選擇在鹽巖品位高、夾層數(shù)量少、夾層薄的層段，造腔外管與內(nèi)管距離(兩口距)適中，盡可能地?cái)U(kuò)大底槽的空間，保證后續(xù)腔體形態(tài)的發(fā)展。

造腔期。該階段為腔體主體部分的建造，通過(guò)調(diào)整兩口距與阻溶劑位置，使腔體直徑盡可能擴(kuò)大至設(shè)計(jì)值并確保腔體頂部的形態(tài)為階梯式平臺(tái)或正梯形平臺(tái),有利于后續(xù)腔體形態(tài)的發(fā)展。

腔頂形成期。通過(guò)調(diào)整兩口距與阻溶劑位置，控制溶蝕時(shí)間,使腔頂自下而上的直徑呈逐漸減小的趨勢(shì)，應(yīng)盡可能使腔體形態(tài)向穹形發(fā)展，以保證腔頂?shù)姆€(wěn)定性，同時(shí)腔頂需距離鹽頂預(yù)留一定的厚度保證腔體的密封性。

2.2 溶劑注采方式

造腔過(guò)程中，根據(jù)溶劑注入與采出方式不同分為正循環(huán)和反循環(huán)。

以單井單腔為例，正循環(huán)是指從造腔內(nèi)管注入淡水或低濃度鹵水等溶劑進(jìn)行水溶，從造腔外管采出鹵水。這種方式底溶的接觸面占主要地位，形成上小下大的梨形，溶蝕速度低，多用于建槽期。反循環(huán)與正循環(huán)水溶方向相反，是由造腔外管注入造腔用水，由造腔內(nèi)管采出鹵水，這種方式上溶的接觸面占主要地位,形成上大下小的倒梨形，溶蝕速度高，用于腔體的主體與頂部的建造。

2.3 阻溶劑(圖2)

阻溶劑是在造腔過(guò)程阻止鹽巖體表面被注入淡水等溶劑溶解，防止腔體不可控發(fā)展，保證達(dá)到設(shè)計(jì)形狀，可為氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)。

(1)液態(tài)烴阻溶劑。

地面儲(chǔ)罐(圖2[2])中柴油或石油通過(guò)注入泵(圖2[1])以及套管與造腔外管(圖2[10])環(huán)空注入腔內(nèi)。阻溶劑壓力根據(jù)下式計(jì)算：

Py=Pp-Pc

(1)

式中：Py——井口注入壓力，MPa；Pр——“鹵水-阻溶劑”界面壓力，MPa；Pс——液態(tài)阻溶劑液柱壓力，MPa。

圖2 阻溶劑注入原理圖Fig.2 Schematic diagram of solvent resistance injection

井口的阻溶劑溫度與存儲(chǔ)罐內(nèi)溫度相同。

(2)液態(tài)氮阻溶劑。

恒溫罐(圖2[4])的液氮經(jīng)除氣器(圖2[3])獲得的氮蒸汽在一定壓力下送入壓縮機(jī)(圖2[7])壓縮，必要時(shí)氮蒸汽壓縮后冷卻。將與腔體內(nèi)壓力和溫度相同的氮蒸汽沿套管與造腔外管環(huán)空注入腔內(nèi)。

(3)天然氣阻溶劑。

輸氣管道(圖2[5])的天然氣輸送至壓縮機(jī)(圖2[7])壓縮后送入井口并沿著套管與造腔外管的環(huán)空進(jìn)入腔內(nèi)。必要時(shí)壓縮之后對(duì)氣體進(jìn)行冷卻。

(4)氣態(tài)氮阻溶劑。

氣態(tài)氮是利用固定或便攜裝置從空氣中獲得。氣態(tài)氮從裝置(圖2[6])送入壓縮機(jī)壓縮后輸送至井口注入腔內(nèi)。必要時(shí)在壓縮之后對(duì)氮蒸汽進(jìn)行冷卻。

(5)阻溶劑控制。

通過(guò)觀察記錄下入套管與造腔外管的環(huán)空“鹵水—阻溶劑”界面測(cè)定儀的位置及阻溶劑的井口壓力控制阻溶劑的注入量與位置，保證腔體形態(tài)的發(fā)展。

2.4 造腔井型

(1)單井單腔。

單井單腔的建造方式是在完鉆直井固井套管內(nèi)依次下入造腔外管、造腔內(nèi)管，通過(guò)上提造腔外管與內(nèi)管、調(diào)整內(nèi)外管之間的距離、阻溶劑位置以及水流的循環(huán)方式來(lái)完成新腔的建造。

單井單腔還可以分為常規(guī)尺寸(外管7"+內(nèi)管41/2"，1"=25.4 mm)造腔管柱組合和大尺寸(外管103/5"+內(nèi)管7")造腔管柱組合兩種，其中大尺寸造腔管柱組合在加快造腔進(jìn)度、節(jié)約成本、降低能耗方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[20]。

國(guó)內(nèi)中石油、中石化與港華燃?xì)馊以诮饓瘍?chǔ)氣庫(kù)建設(shè)中采用的是常規(guī)尺寸造腔管柱組合。盡管大尺寸造腔管柱方式在造腔方面存在上述優(yōu)勢(shì)，但在固井等方面也存在一定的難度。中石油規(guī)劃的平頂山鹽礦大尺寸造腔工藝試驗(yàn)方案已獲投資批復(fù)，即將開(kāi)展工程實(shí)施。

(2)雙井單腔。

雙井造腔[20]是一種通過(guò)鉆2口單直井，下入常規(guī)尺寸造腔管柱，建槽期使用單井正循環(huán)方式分別造腔，兩個(gè)腔體溶通后，將兩口井中的造腔內(nèi)管起出，利用兩口井的造腔外管交替注水與采鹵水的方式造腔。為了保證腔頂?shù)姆€(wěn)定性，通過(guò)控制兩口井造腔外管距離與水溶速度完成腔頂?shù)慕ㄔ?，使腔頂形態(tài)盡量接近于穹頂狀。

根據(jù)水溶濃度場(chǎng)對(duì)流擴(kuò)散規(guī)律，腔體最大直徑一般不超過(guò)80 m，兩口井井距一般選擇20 m左右為宜。

云應(yīng)鹽礦曾完成井距為11 m的雙井單腔造腔試驗(yàn)，證實(shí)該造腔工藝技術(shù)可行，提高造腔速度1.7倍。

2.5 造腔溶解方法

2.5.1 單井單腔

造腔過(guò)程中鹽巖溶解遵循鹽巖的溶解與水動(dòng)力學(xué)規(guī)律，可通過(guò)自下而上法、自上而下法和綜合法三種方法進(jìn)行造腔。

(1)自下而上造腔法。

自下而上造腔法即是根據(jù)造腔段地層巖性構(gòu)成，從設(shè)計(jì)腔底逐層向上造腔，這是目前鹽礦開(kāi)采與儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)中常用的方式。根據(jù)造腔管柱的調(diào)整方式分為上提造腔管柱、僅上提造腔外管、不動(dòng)造腔管柱三種工藝。

①上提造腔管柱。該工藝可采用正反循環(huán)溶劑注采方式。底槽建造完成后根據(jù)方案設(shè)計(jì)調(diào)整造腔管柱位置，中心管和造腔外管同時(shí)上提，中心管上提至底槽頂面以下1 m～1.5 m，造腔外管上提至設(shè)計(jì)第一個(gè)造腔階段腔頂位置，注入阻溶劑和水進(jìn)行該階段鹽巖溶解，后續(xù)階段以此類推。

每階段在造腔外管與內(nèi)管之間造腔段鹽巖發(fā)生上溶與側(cè)溶，控制溶解時(shí)間、阻溶劑注入量與位置至達(dá)到該階段腔體設(shè)計(jì)的直徑和高度。接近設(shè)計(jì)腔頂時(shí)，造腔管柱上提時(shí)應(yīng)適當(dāng)縮短造腔外管與內(nèi)管之間的距離(兩口距)，使腔體的高度和半徑逐漸縮小，保證腔頂形態(tài)盡可能接近穹頂狀。

②僅上提造腔外管。該工藝可采用正反循環(huán)溶劑注采方式。由于僅上提造腔外管，造腔內(nèi)管保持在形成的底槽界面以下、不溶物殘?jiān)嬉陨? m～1.5 m處不動(dòng)，建槽期以及后續(xù)的造腔各階段的腔體最大直徑在略低于設(shè)計(jì)值就應(yīng)上提造腔外管，防止后續(xù)階段對(duì)前一階段繼續(xù)溶解使得形成的腔體最大直徑超過(guò)設(shè)計(jì)值。每階段的造腔外管根據(jù)方案設(shè)計(jì)，上提至該階段設(shè)計(jì)腔體頂面以下1 m～3 m處。通過(guò)控制外管的位置、阻溶劑位置與注入量完成造腔期每個(gè)次級(jí)階段的建造。腔頂形成期與前一種上提造腔管柱方法一致。

值得注意的是，由于造腔內(nèi)管位于底槽附近，造腔外管逐層上提，不斷地加大造腔段高度。在某階段造腔的同時(shí)，其前面所有的階段形成的腔體均會(huì)發(fā)生不同程度的側(cè)溶，因此除了腔頂?shù)淖詈箅A段，其他階段腔體最大直徑與體積應(yīng)控制略低于設(shè)計(jì)值，這樣才能保證最后一個(gè)階段建造完成時(shí)，各階段腔體形態(tài)與大小與設(shè)計(jì)值基本相符。

③不動(dòng)造腔管柱。不動(dòng)造腔管柱指建槽結(jié)束后，將造腔內(nèi)管下入至底槽界面以下、不溶物殘?jiān)嬉陨? m～1.5 m處，造腔外管下入至設(shè)計(jì)腔頂位置，造腔期與腔頂形成期造腔外管與內(nèi)管均保持不動(dòng)。

該工藝調(diào)整溶劑注入與采出的管柱實(shí)現(xiàn)正循環(huán)與反循環(huán)溶劑注采方式。通過(guò)阻溶劑向上移動(dòng)，調(diào)整阻溶劑的位置與注入量控制腔體各階段的發(fā)展。

底槽及后續(xù)造腔階段腔體的發(fā)育與上提造腔外管工藝相同，造腔段鹽巖層自下而上逐層溶解，每個(gè)階段除了該階段內(nèi)的鹽巖層參與溶解，同時(shí)還進(jìn)行前一個(gè)階段的適度側(cè)溶以及前一個(gè)階段之前的后續(xù)被動(dòng)溶解，直至最后一個(gè)階段建造結(jié)束時(shí)，各階段腔體形態(tài)與大小才達(dá)到設(shè)計(jì)值。

該工藝具有起下鉆作業(yè)次數(shù)少、造腔工期明顯縮短以及降低阻溶劑與鹵水或溶劑一起采出的可能性的特點(diǎn)。該工藝最主要的是要有效地控制阻溶劑的位置和數(shù)量，保證腔體按照設(shè)計(jì)發(fā)展。

(2)自上而下造腔法。

自上而下造腔法是一種將儲(chǔ)存物質(zhì)作為阻溶劑，邊注入儲(chǔ)存物質(zhì)邊造腔的方法。有利于形成穹狀腔頂，加快儲(chǔ)存物質(zhì)的儲(chǔ)存和在造腔過(guò)程形成一定的采出能力?？刹捎谜囱h(huán)溶劑注采方式，獲得球狀或圓柱狀的腔體和穹狀腔頂。根據(jù)造腔管柱的調(diào)整方式分為不動(dòng)造腔管柱與逐層下放造腔外管兩種工藝。

①不動(dòng)造腔管柱。建槽期結(jié)束后將造腔內(nèi)管下入不溶物殘?jiān)逊e面以上1 m～1.5 m，造腔外管下入設(shè)計(jì)腔頂位置。

在完成每個(gè)階段和整個(gè)腔體建造之后需進(jìn)行腔體體積、形狀以及腔體頂部阻溶劑位置測(cè)量。

當(dāng)前層建造完成后定期將儲(chǔ)存的物質(zhì)注入腔內(nèi)，使造腔鹽巖溶解段逐層下移。

②下放造腔外管。與不動(dòng)造腔管柱的自上而下逐層法相比，下放造腔外管可以在最短期限內(nèi)形成足以儲(chǔ)存物質(zhì)的穹狀腔頂。

建槽期結(jié)束后將造腔內(nèi)管下入不溶物殘?jiān)逊e面以上1 m～1.5 m，造腔外管下入設(shè)計(jì)腔頂位置。后續(xù)階段，造腔內(nèi)管位置保持不變，造腔外管根據(jù)設(shè)計(jì)與各階段測(cè)腔結(jié)果逐層下移，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)方案中的生產(chǎn)能力保證自上而下逐層造腔增加儲(chǔ)存物質(zhì)的注入量。

(3)綜合造腔法。

自下而上造腔法易形成具階梯式側(cè)面的腔體形態(tài)，且利用造腔段形成腔體的含鹽區(qū)域溶解不充分，腔體頂面預(yù)測(cè)具有一定難度。

自上而下造腔法可在較短的造腔層段建造穹狀腔頂，最大化利用含鹽區(qū)域的潛在能力，但必須采用大量的阻溶劑。儲(chǔ)存物質(zhì)的儲(chǔ)存時(shí)機(jī)與數(shù)量與腔體建成時(shí)間和體積一致時(shí)，該方式經(jīng)濟(jì)上具有可行型，否則大量的阻溶劑會(huì)大大增加投資費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)上可行性差。

綜合造腔法綜合發(fā)揮上述兩種方法的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)鹽巖體特征依次應(yīng)用自下而上及自上而下逐層溶解兩種造腔方法。造腔期采用不動(dòng)造腔管柱通過(guò)阻溶劑控制的自下而上逐層造腔法，腔頂形成期采用不動(dòng)造腔管柱的自上而下逐層造腔法。綜合造腔法減少了下鉆作業(yè)次數(shù)，利用少量阻溶劑保證了穹狀腔頂，縮短了工期，保證了腔體的穩(wěn)定性。

目前工程建設(shè)中廣泛采用不動(dòng)造腔管柱自下而上逐層溶解造腔法，自上而下逐層溶解造腔法在造腔高度較短的情況下優(yōu)勢(shì)明顯。國(guó)內(nèi)金壇儲(chǔ)氣庫(kù)利用自上而下逐層溶解造腔法進(jìn)行腔體形態(tài)的修正與擴(kuò)容[21]。當(dāng)急需建成儲(chǔ)采能力且儲(chǔ)存物質(zhì)與阻溶劑一致時(shí)，亦可采用不動(dòng)造腔管柱自上而下造腔法。

2.5.2 雙井單腔

雙井單腔造腔管柱組合方式，按照造腔管柱調(diào)整方式，分為上提雙造腔管柱與上提單造腔管柱兩種工藝。

(1)上提雙造腔管柱(圖3)。

雙井造腔采用單井建槽，自然溶通法，雙井對(duì)流建腔的造腔思路。建槽期(圖3a)完成雙腔連通測(cè)腔之后，按照設(shè)計(jì)上提造腔外管，根據(jù)設(shè)計(jì)兩口距確定兩口井造腔外管下入深度。一般底部造腔外管(圖3b左井)上提至底槽頂1 m～2 m處，并作為注入井將淡水或低濃度鹵水注入，從造腔外管與固井套管環(huán)空注入阻溶劑，另一口井采出鹵水(圖3b右井)，采用正循環(huán)溶劑注采方式。當(dāng)通過(guò)采出鹵水量計(jì)算腔體體積或通過(guò)聲吶測(cè)腔得到腔體體積達(dá)到設(shè)計(jì)值，調(diào)整管柱位置(圖3c)，通過(guò)兩口井交替注采的方式完成腔體主體部分的建造。最后，通過(guò)控制兩口井之間阻溶劑位置、溶劑注入采出速度完成腔頂?shù)慕ㄔ臁?/p>

造腔與腔頂形成期控制溶劑注入井的注入壓力略高于采出井，根據(jù)溶劑注入排量與兩口井造腔外管的位置確定。

圖3 雙井單腔上提雙造腔管柱工藝過(guò)程示意圖Fig.3 Process of cavity construction with double wells while lifting two solution mining tubing assemblies

(2)上提單造腔管柱(圖4)。

完成建槽雙井連通后，進(jìn)行一次聲納測(cè)腔，確定管柱下入深度以及后續(xù)造腔過(guò)程。根據(jù)測(cè)腔結(jié)果和完成的設(shè)計(jì)將兩口井的造腔外管下入底槽頂1 m～2 m處(為了保證管柱在造腔及排鹵前管柱出口始終位于不溶物沉渣面之上)，其中一口井作為完腔之后的排鹵井，在后續(xù)造腔過(guò)程管柱位置保持不動(dòng)(圖4左井)。為了說(shuō)明工藝過(guò)程，將該工藝的造腔期簡(jiǎn)化為4個(gè)步驟：

步驟一：將左井作為溶劑注入井，并從套管與造腔外管環(huán)空注入阻溶劑，通過(guò)阻溶劑由右井造腔外管管口位置控制造腔層段(圖4a)；

步驟二：將右井轉(zhuǎn)為溶劑注入井，阻溶劑注入位置與上一階段左井位置一致(圖4b)；

步驟三：上提右井造腔外管至設(shè)計(jì)深度位置，將左井作為溶劑注入井，仍是通過(guò)控制阻溶劑注水位置控制造腔段(圖4c)；

步驟四：與步驟二類似，將右井轉(zhuǎn)為溶劑注入井，阻溶劑注入位置與上一階段左井位置一致(圖4d)。

如果造腔井段較長(zhǎng)，依照上述步驟類推直至完成腔體主體部分的建造。

建槽期結(jié)束后，上提右井造腔外管，通過(guò)控制阻溶劑位置和溶劑注入采出速度完成腔頂?shù)慕ㄔ臁?/p>

圖4 雙井單腔上提單造腔管柱工藝過(guò)程示意圖Fig.4 Process of cavity construction with double wells while lifting one solution mining tubing assembly

3 儲(chǔ)存物質(zhì)注采工藝技術(shù)

地下鹽穴可以用來(lái)處置工業(yè)制堿產(chǎn)生的廢渣與核廢料以及儲(chǔ)存石油天然氣及氦氣等。廢渣與核廢料將被長(zhǎng)期封存，后三者將實(shí)施注采，下面主要介紹石油、天然氣、氦氣三種物質(zhì)的注采工藝技術(shù)。

3.1 儲(chǔ)存物質(zhì)注入前準(zhǔn)備

儲(chǔ)存物質(zhì)首次注入前需完成以下工序：

(1)采出阻溶劑。

轉(zhuǎn)換阻溶劑流動(dòng)方向，單井沿造腔內(nèi)管注入溶劑將阻溶劑從套管與造腔外管的環(huán)空驅(qū)替至井口；雙井將溶劑采出井變?yōu)樽⑷刖沙鲎枞軇?/p>

阻溶劑如果是液體(液態(tài)烴或液氮)則應(yīng)在其他地下腔體造腔時(shí)二次利用。如果是天然氣，干燥后返至天然氣管道。如果是氮?dú)庵苯优欧胖链髿狻?/p>

(2)起出造腔管柱。

起出造腔管柱時(shí)對(duì)每個(gè)管子進(jìn)行肉眼檢查，檢查管子形狀是否變化、與管柱的垂直度是否存在偏差及二次利用螺紋接頭狀態(tài)如何。

(3)腔體測(cè)量。

取出造腔管柱之后，通過(guò)測(cè)井確定腔體高度及其沿井筒鹵水溫度分布。

為了保證腔壁停止溶解且圍巖溫度條件下腔內(nèi)鹵水濃度最大可能地達(dá)到平衡，造腔停止30 d～40 d后進(jìn)行聲納測(cè)量確定腔體形狀和體積。

(4)下入排鹵管柱。

單井單腔管柱組合排鹵管柱通常采用與造腔管柱尺寸相同的雙層結(jié)構(gòu)，外管管口位于固井套管的套管鞋位置，內(nèi)管管口位于距離腔底沉渣面之上1 m左右。內(nèi)管作為排鹵管，外管作為注采氣管柱，內(nèi)管與外管環(huán)空注入儲(chǔ)存的物質(zhì)。

雙井單腔管柱組合排鹵管柱尺寸通常與造腔外管相同的單層結(jié)構(gòu)，將一口井管柱的管口放置于固井套管的套管鞋位置注入儲(chǔ)存的物質(zhì)，作為注采井；另一口井管柱管口位于距離腔底沉渣面之上1 m左右作為排鹵井。

(5)其他設(shè)備安裝。

根據(jù)注入物質(zhì)的溫度壓力等，按照有關(guān)規(guī)定安裝注采井口及其安全控制系統(tǒng)，進(jìn)行地面設(shè)備、井口裝置、管柱的密封性檢測(cè)等。

3.2 石油儲(chǔ)存注采工藝

3.2.1 注入方法

石油儲(chǔ)存前腔體中充滿鹵水，密度一般為1.2 g/cm3，大于石油的密度。

單井單腔通過(guò)控制井口壓力將石油從造腔內(nèi)管與外管環(huán)空注入，鹵水從內(nèi)管采出，中心管被原油替出。雙井單腔通過(guò)控制管柱管口位于套管鞋附近那口注采井的井口壓力注入石油，從管口位于底部的排鹵井采出鹵水。

3.2.2 采出方法

石油采出一般有壓縮氣體驅(qū)替、采油泵抽吸、飽和鹽水驅(qū)替、淡水驅(qū)替四種方法。

壓縮氣體驅(qū)替常用的是氮?dú)猓鋬?yōu)勢(shì)是氮?dú)鈦?lái)源廣泛、對(duì)腔體無(wú)溶解、采出后可放空。缺點(diǎn)是用氣量大，需要大排量的地面氣體壓縮機(jī)、氣液分離設(shè)備等，地面設(shè)施投資較大。

采油泵抽吸雖工藝方法簡(jiǎn)單、投資成本較低等優(yōu)勢(shì)，但其抽吸腔體內(nèi)壓力降低，穩(wěn)定性存在隱患。

綜上，可行的方法是飽和鹽水驅(qū)替和淡水驅(qū)替。無(wú)論是飽和鹽水還是淡水，因其不具壓縮性，驅(qū)油頂替效率高。且與儲(chǔ)存的石油存在密度差異，分異明顯，只需通過(guò)注入泵將鹽水或淡水注入，地面工藝簡(jiǎn)單，投資較小。

飽和鹽水可以通過(guò)地面配備儲(chǔ)鹵池、利用其他腔體內(nèi)的飽和鹽水或石鹽調(diào)配等方式獲得，該種驅(qū)替法可以保證腔體內(nèi)壁不再發(fā)生進(jìn)一步溶解。

淡水驅(qū)替法最大的缺點(diǎn)就是會(huì)造成腔體內(nèi)壁的進(jìn)一步溶解，如需擴(kuò)大腔體的體積可考慮該種方法。

3.3 天然氣與氦氣儲(chǔ)存注采工藝

氦氣儲(chǔ)存常以天然氣中含有一定的氦氣混合氣形式儲(chǔ)存，其注采工藝與天然氣儲(chǔ)存的注采類似。

3.3.1 注入方法

儲(chǔ)存氣體首次注入是將經(jīng)地面壓縮機(jī)加壓后的高壓氣體通過(guò)單井的注采管與排鹵管的環(huán)空或通過(guò)雙井中的注采井注入，受氣體壓力的作用鹵水便通過(guò)單井的排鹵管或雙井中的排鹵井采出。排鹵完成后，將單井中排鹵管柱通過(guò)不壓井作業(yè)方法起出。如果此時(shí)井底壓力還沒(méi)有達(dá)到腔體設(shè)計(jì)的上限壓力，通過(guò)井口注采氣閥門(mén)控制繼續(xù)注氣至設(shè)計(jì)壓力值，然后即可投產(chǎn)注采運(yùn)行[22]。

注采運(yùn)行中的注入過(guò)程與首次注氣過(guò)程中排鹵之后的注氣過(guò)程相同。

3.3.2 采出方法

根據(jù)腔體內(nèi)壓力、溫度、日需求采氣量等確定井口采氣壓力。通過(guò)控制采氣井井口壓力將儲(chǔ)存的氣體采出，經(jīng)地面計(jì)量、處理等后輸送給用戶。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)蘊(yùn)藏著豐富的鹽礦資源，每年從地下鹽礦采出的鹽量約5 500萬(wàn)t，折成石鹽體積約2 500萬(wàn)m3，考慮其中不溶物殘?jiān)蛎浂逊e影響，至少有1 250萬(wàn)m3以上的地下空間，基本相當(dāng)于金壇儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)的17億m3儲(chǔ)氣體積。金壇鹽礦目前已有5個(gè)改造的老腔，25個(gè)新建腔體形成儲(chǔ)氣空間總體積500萬(wàn)m3左右。從鹽礦年采鹽量來(lái)看，我國(guó)有每年持續(xù)增長(zhǎng)的老腔可以利用；從金壇儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)運(yùn)行實(shí)踐來(lái)看，我國(guó)已有老腔改造和新腔建造儲(chǔ)氣的成果經(jīng)驗(yàn)，將為鹽礦開(kāi)采以及利用采鹽過(guò)程中形成的地下腔體儲(chǔ)存物質(zhì)提供了技術(shù)保證。除了堿渣與核廢料處置外，對(duì)于關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的石油、天然氣與氦氣能源的儲(chǔ)存意義更為重大。

我國(guó)自1993年開(kāi)始成為石油凈進(jìn)口國(guó)，至2016年石油的對(duì)外依存度達(dá)66%[23]。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)，截止2017-12-29我國(guó)已建成舟山、舟山擴(kuò)建、鎮(zhèn)海、大連、黃島、獨(dú)山子、蘭州、天津8個(gè)石油地面儲(chǔ)備庫(kù)，以及黃島石油儲(chǔ)洞庫(kù)計(jì)8個(gè)石油儲(chǔ)備基地，約為45 d的國(guó)內(nèi)石油消費(fèi)需求，與國(guó)際能源署以90 d作為國(guó)家石油儲(chǔ)備的安全標(biāo)準(zhǔn)差距甚大。利用鹽礦開(kāi)采形成的老腔與地面庫(kù)和水封洞室(黃島石油儲(chǔ)洞庫(kù))儲(chǔ)油相比，在充分利用鹽礦資源的同時(shí)，更具有安全環(huán)保、縮短工期、節(jié)省投資、減少運(yùn)營(yíng)成本等優(yōu)勢(shì)。

天然氣鹽穴地下儲(chǔ)存在金壇儲(chǔ)氣庫(kù)13 a的運(yùn)行中得到了充分的驗(yàn)證，為氦氣的儲(chǔ)存和再利用提供了可能性，也為為減少稀有氣體——氦氣的損失，充分發(fā)揮其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及科技發(fā)展中的作用提供了有利的方向。