地下鹽穴儲氣庫氣密封測試參數(shù)設(shè)計方法研究

于鵬亮

（北京普瑞浩特能源科技有限公司，北京 100012）

氣密封測試旨在評價鹽穴儲氣庫的密封性能。鹽穴儲氣庫建造完成后必須進(jìn)行氣密封測試，以便判斷鹽穴儲氣庫是否具備儲氣條件，同時確定其最終儲氣能力[1]。世界范圍內(nèi)普遍采用性能穩(wěn)定的氮氣作為檢測介質(zhì)，以便安全、有效地模擬極限條件下的天然氣的泄漏情況[2]。若腔體狀態(tài)完好，在采用氮氣作為檢測介質(zhì)時，氣液界面處的注水壓力與氮氣壓力始終保持平衡狀態(tài)。據(jù)此，可以對氣密封測試過程中的主要參數(shù)[3]進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化（見圖1、圖2）。

圖1 氣密封測試原理圖Fig.1 The testing schematic for gas tightness test

1 平衡方程

假設(shè)腔體狀態(tài)完好，則在氣密封測試過程中，腔體所承受的壓力始終遠(yuǎn)小于地層破裂壓力，因而腔體在此過程中只發(fā)生彈性變形和蠕變兩種形變[4]。

而在注入鹵水過程中，套管鞋處的壓力：

式中：Pb-井口預(yù)升壓鹵水壓力，MPa；ρb-預(yù)升壓所用鹵水密度，kg/m3；Hcs-套管鞋深度，m。

而在注氣過程中，要使氮氣替換鹵水占據(jù)位置，則氣液界面處氣、液壓力必須達(dá)到平衡，因此有：

式中：h-界面深度，m；PN2-井口氮氣壓力，MPa；ρˉN2-氮氣柱的平均密度，kg/m3。

其中：

圖2 氣密封過程中鹽腔形變示意圖Fig.2 The simple diagram of deformation for cavern during the gas tightness test

2 主要參數(shù)設(shè)計方法

2.1 井口鹵水壓力

日常操作時，套管鞋處的許用壓力，稱之為最大操作壓力或MOP[5-7]。最大操作壓力與地層的破裂壓力梯度和許用系數(shù)有關(guān)：

式中：α-許用系數(shù)，通常取0.8～0.85；Gpa-地層破裂壓力梯度，MPa/m；Hcs-套管鞋深度，m。

理想情況下，應(yīng)泵注鹵水使套管鞋處的壓力等于MOP，并使測試過程中套管鞋處的壓力保持在MOP 的1～1.2 倍之間。設(shè)計時，可取：

根據(jù)現(xiàn)場鹵水密度聯(lián)立方程，即可求得合理的井口鹵水壓力設(shè)計值。

2.2 注入鹵水體積

不考慮測試過程中鹽腔繼續(xù)發(fā)生溶解作用，設(shè)：ΔP-增壓幅度，MPa；V0-鹽腔初始體積，m3；ΔV-預(yù)升壓鹵水的注入體積，m3；ΔVc-蠕變造成的閉合量，m3；ΔVe-升壓過程中彈性變形導(dǎo)致的體積增量，m3。則有：

其中：

式中：ε-鹽腔的閉合速率，d，可通過對比二次聲吶測試間腔體不溶部分的體積變化量進(jìn)行計算；t-聲吶測試結(jié)束至完成鹵水加注所需的時間，d；K-巖鹽的體積模量，其與彈性模量、泊松比存在如下關(guān)系：

式中：E-巖鹽彈性模量，MPa；μ-巖鹽泊松比，無量綱。則有：

2.3 注氣量

根據(jù)平衡方程，先求得注氣完成后的氣液界面位置h。

根據(jù)氣液界面位置，依據(jù)腔頸聲吶測試數(shù)據(jù)，確定氮氣柱所占體積Vh，并依據(jù)氣體狀態(tài)方程求得地面注氣量。

式中：ZN2-井下平均壓力條件下的氮氣壓縮系數(shù)，無量綱。

注氣完成后，氮氣與地層、鹵水間發(fā)生熱交換并漸趨穩(wěn)定。過程中，井筒中的氮氣發(fā)生熱膨脹，其所占據(jù)的體積相應(yīng)增加，氣液界面隨之下降。同樣可依氣體狀態(tài)方程，求得熱穩(wěn)定后氮氣柱所占體積，及與之對應(yīng)的氣液界面位置h'。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

某鹽穴儲氣庫群二期共建成地下鹽穴儲氣庫井4口，套管鞋位置均為1 120 m，地層破裂壓力梯度為2.064×10-2MPa/m，操作壓力安全系數(shù)取0.85，各腔的平均閉合速率約為2.560×10-4/d，聲吶測試結(jié)束至完成鹵水加注時間通常為10 d，巖鹽平均彈性模量為2.823×104MPa，泊松比為0.31，其氣密封測試設(shè)計參數(shù)與實際參數(shù)對比（見表1）。從表1 統(tǒng)計結(jié)果來看：對于腔體完好的鹽穴儲氣庫井，該方法設(shè)計誤差相對較小。而若腔體存在缺陷，氣液界面處的平衡狀態(tài)被打破，則設(shè)計誤差相對較大。但總體而言，該方法能夠較為準(zhǔn)確地反映實際測試情況[8，9]。

表1 某鹽穴儲氣庫氣密封測試參數(shù)統(tǒng)計對比表Tab.1 Comparison of the design and actual parameters for the caverns in a UGS project

4 認(rèn)識與建議

（1）該設(shè)計方法簡單易行，能夠較為準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場實際情況，節(jié)約測試準(zhǔn)備時間和成本。

（2）實際測試過程中，由于鹽穴儲氣庫可能存在固井質(zhì)量、裂隙、氣層等各種缺陷或問題，因而各主要參數(shù)應(yīng)當(dāng)結(jié)合實際情況進(jìn)行保守或冗余設(shè)計，以便為測試過程留出足夠的調(diào)整余地。

（3）為提高計算精度，設(shè)計中可參考機(jī)械完整性測試或同工區(qū)其他井氣密封測試的壓力、溫度等實測數(shù)據(jù)。