金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)畸形對(duì)鹽腔體積影響

王建夫，巴金紅，王文權(quán)

1.中國(guó)石油儲(chǔ)氣庫(kù)分公司，北京昌平100029

2.中國(guó)石油鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)技術(shù)研究中心，江蘇鎮(zhèn)江212000

引言

金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)2007 年投產(chǎn)運(yùn)行，經(jīng)過(guò)十幾年的建設(shè)，已經(jīng)具備了一定的儲(chǔ)氣能力，并在天然氣調(diào)峰方面發(fā)揮了重要作用[1-4]。截至2019年底，形成庫(kù)容約10×108m3，工作氣約6×108m3。2020年初，受到新冠疫情影響，天然氣市場(chǎng)需求降低[5]，為了保證天然氣平穩(wěn)生產(chǎn)和進(jìn)口氣合同履行，金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)注氣強(qiáng)度增大。截至2020年6月底，儲(chǔ)氣庫(kù)的當(dāng)前工作氣量達(dá)到了約6×108m3，實(shí)際庫(kù)容已經(jīng)接近飽和狀態(tài)，充分發(fā)揮了儲(chǔ)氣庫(kù)削谷填峰的作用。

但是，金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)速度有待加快，而對(duì)庫(kù)容工作氣影響最大的就是鹽腔有效體積。金壇儲(chǔ)氣庫(kù)年造腔量約80×104m3，截至2019年，累計(jì)形成鹽腔有效體積約700×104m3，平均年增有效體積59×104m3，如圖1所示。相比于國(guó)外鹽丘型儲(chǔ)氣庫(kù)1～2年可完成約（30～70）×104m3單腔有效體積的建設(shè)速度[6-7]，金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)速度較慢。除了注水排量低導(dǎo)致水溶造腔速度慢，單腔有效體積較小也降低了庫(kù)容工作氣形成速度。金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)單腔設(shè)計(jì)有效體積25×104m3，而實(shí)際平均單腔有效體積約23×104m3，是設(shè)計(jì)值的92%。鹽腔有效體積影響因素較多，而層狀鹽巖復(fù)雜地質(zhì)條件或造腔工程失誤導(dǎo)致的腔體畸形、偏溶和底坑形狀不規(guī)則是其中重要一點(diǎn)。以往許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過(guò)研究，但以往研究主要集中在腔體畸形、偏溶的形成原因上，對(duì)其如何影響腔體體積的研究較少[8-15]。本文結(jié)合金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際鹽腔情況，分析了腔體畸形、偏溶和底坑形狀對(duì)鹽腔有效體積的影響規(guī)律，并根據(jù)形成原因提出了相應(yīng)解決措施。研究成果可為加快鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)提供借鑒。

圖1 金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)累計(jì)鹽腔有效體積Fig.1 Accumulative effectivesalt cavern volume of Jintan salt caverngasstorage

1 鹽腔形態(tài)分類(lèi)

金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)屬于鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)，采用水溶采礦的方式建造，鹽腔體積和形狀受地質(zhì)條件影響較大，造腔過(guò)程中容易出現(xiàn)畸形、偏溶等情況[16-19]。經(jīng)過(guò)研究，金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)鹽腔形狀可分為3類(lèi)，正常、腔壁畸形和偏溶，如圖2 所示。大多數(shù)鹽腔屬于正常腔體，占腔體總數(shù)的70%，畸形、偏溶腔體較少，約占總腔體數(shù)的30%?；?、偏溶對(duì)鹽腔有效體積影響可通過(guò)畸形系數(shù)和鹽層利用率進(jìn)行分析。

圖2 正常、畸形、偏溶腔體示意圖Fig.2 Schematic diagramof normal,abnormal and partial leached cavern

畸形系數(shù)定義為表示鹽腔畸形程度的一個(gè)參數(shù)[8]，畸形系數(shù)越大，畸形程度越大，如式（1）

鹽層利用率?定義為每米鹽層的有效造腔體積，等于鹽腔有效體積V與可造腔鹽層段厚度h的比值

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)鹽腔畸形系數(shù)與鹽層利用率如表1所示。正常腔體平均畸形系數(shù)為6.5×10?3，偏溶畸形系數(shù)為25.0×10?3，畸形腔體畸形系數(shù)為53.1×10?3，畸形程度不斷增大。而腔體畸形系數(shù)越大，鹽層利用率越低，正常、偏溶、畸形鹽腔鹽層利用率依次為1746.2、1632.4和1344.2m3/m。即當(dāng)鹽層厚度與不溶物含量等其他條件相同時(shí)，畸形腔體體積將小于正常腔體，畸形嚴(yán)重影響了鹽腔體積。主要原因有以下3 個(gè)：（1）腔壁畸形直接影響腔體體積。（2）偏溶影響鄰井礦柱寬度，使腔體直徑受限，進(jìn)而影響腔體體積。（3）腔體底坑畸形也會(huì)對(duì)腔體儲(chǔ)氣體積產(chǎn)生較大影響。以下從腔體畸形、偏溶及礦柱比、底坑形狀這3個(gè)方面分析其對(duì)鹽腔有效體積的影響，并針對(duì)畸形形成原因提出了相應(yīng)解決措施。

表1 金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)鹽腔形態(tài)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Proportionof different shape in Jintan salt caverngas storage

2 鹽腔體積影響因素

2.1 腔體畸形

腔體畸形指的是鹽腔壁面參差不齊，凹凸不平，或者腔體橫截面呈橢圓形，長(zhǎng)短軸比值較大。主要由地質(zhì)因素引起，工程因素影響較少。腔體畸形會(huì)導(dǎo)致鹽腔周?chē)}層利用率降低，影響腔體體積。以下分析了畸形鹽腔有效體積低的主要原因。

假設(shè)某一深度處的鹽腔微元體k橫截面積Sk，微元體高度?Hk，則該微元體的體積為Sk?Hk，將鹽腔深度范圍內(nèi)的所有微元體體積求和即為鹽腔總有效體積V，則計(jì)算公式為

假設(shè)鹽腔微元體k的橫截面為橢圓形，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度Dk1，短軸長(zhǎng)度Dk2，則該微元體橫截面積計(jì)算公式為

如圖3a 所示，畸形鹽腔C1腔體橫截面呈橢圓形，當(dāng)鹽腔某一深度最大直徑達(dá)到設(shè)計(jì)直徑時(shí)，該深度鹽腔不可再溶蝕，此時(shí)Dk1等于設(shè)計(jì)直徑，Dk2遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)直徑，橫截面積為Sk。規(guī)則鹽腔C2腔體橫截面為圓形或接近圓形，某一深度處的Dk1、Dk2均約等于設(shè)計(jì)直徑，橫截面積為。顯然，畸形鹽腔橫截面積Sk遠(yuǎn)小于規(guī)則鹽腔橫截面積S′k，所以畸形鹽腔腔體體積偏小。

圖3 腔體體積畸形影響示意圖Fig.3 Diagram of effect on cavernvolume by abnormal shape

如圖3b所示，橫截面為圓形的鹽腔。當(dāng)畸形鹽腔上部H1深度處腔體直徑D1達(dá)到設(shè)計(jì)直徑，而鹽腔下部H2深度腔體直徑D2遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)直徑時(shí)，由于上部腔體直徑已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)值，不能對(duì)下部鹽腔進(jìn)行繼續(xù)溶蝕。而規(guī)則鹽腔上下各深度腔體直徑比較一致，所以畸形鹽腔下部體積較小，導(dǎo)致總體積低。

如圖4a 所示，JT1 井鹽腔嚴(yán)重畸形，腔壁形狀參差不齊，畸形系數(shù)高達(dá)90.1×10?3。腔體橫截面呈現(xiàn)橢圓形，如圖4b 所示。該井南北方向溶蝕直徑遠(yuǎn)大于東西方向，腔體明顯為橢圓形。在深度1 074 m，南北方向最大直徑80.0 m，東西方向最小直徑17.4 m，長(zhǎng)軸與短軸比值高達(dá)4.6。該井造腔鹽層厚度201 m，鹽腔有效體積21.5×104m3，受到畸形影響，鹽層利用率僅為1 084 m3/m，遠(yuǎn)低于金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)平均值1 668 m3/m。

圖4 JT1 腔體形態(tài)圖Fig.4 JT1 cavern shape

圖5 為JT1 腔體直徑、橫截面積、有效體積隨深度的變化關(guān)系。圖5a 顯示，腔體東西直徑與南北直徑差別較大，長(zhǎng)短軸比值平均為2.6。在深度1 074 m，腔體最大直徑為80.0 m，而最小直徑僅為17.4 m，長(zhǎng)短軸比值為4.6。圖5b、圖5c 顯示，此處橫截面積和鹽腔有效體積分別為1 094 m2和2 188.0 m3，而與最大直徑相當(dāng)?shù)膱A形面積和體積分別可達(dá)4 948 m2和9 897.0 m3，腔體體積減少了22%。表明腔體橢圓形畸變嚴(yán)重降低了腔體體積，如圖3a 所示。

圖5 JT1 腔體直徑、橫截面積、體積曲線(xiàn)圖Fig.5 Diameter,cross section and volume of JT1 cavern

不同深度腔體直徑和體積變化較大，如圖5a所示，在1 064 m，腔體溶蝕極不充分，存在突出巖脊，此處平均直徑較小，僅為24.6 m。而在1 074 m，腔體溶蝕過(guò)大，腔體平均直徑為37.4 m。圖5b、圖5c顯示，1 064 m 橫截面積和體積分別為478 m2和955.6 m3，而1 074 m 橫截面積和體積分別為1 094 m2和2 188.0 m3，前者體積僅為后者的43.6%。這表明腔體畸形導(dǎo)致不同深度處鹽腔直徑和體積差別較大，直徑較小處的腔體體積嚴(yán)重降低，如圖3b 所示。

經(jīng)過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，畸形腔體有效體積小的主要原因是腔體某一深度或某一方向直徑限制，導(dǎo)致腔體局部欠溶蝕，鹽層利用率低。如果采用某些措施對(duì)畸形進(jìn)行預(yù)防或修復(fù)可顯著提高腔體體積?；蔚闹饕绊懸蛩厥堑刭|(zhì)因素，主要是較厚（>2 m）的泥巖、硬石膏等不溶物夾層不均勻垮塌引起的[25]。而次要因素是工程因素，主要包括管柱脫落、油墊控制不佳及造腔管柱配置失誤等[8，13-14]，例如，金壇曾出現(xiàn)過(guò)因管柱脫落導(dǎo)致腔體出現(xiàn)“葫蘆狀”畸形的現(xiàn)象。由于地質(zhì)因素是客觀(guān)存在的，很難通過(guò)人為措施完全消除其影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于含礦率低于70%的鹽礦，鹽腔畸形概率較大，造腔過(guò)程中可適當(dāng)降低注水排量或采用正循環(huán)進(jìn)行預(yù)防[10]。對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)畸形的鹽腔，造腔結(jié)束后，可采用天然氣阻溶回溶造腔技術(shù)對(duì)畸形部位進(jìn)行擴(kuò)容修復(fù)[16-18]。而工程因素是人為產(chǎn)生的，可以通過(guò)加強(qiáng)造腔過(guò)程中注水排量、排鹵濃度、油墊位置及注油量等參數(shù)的監(jiān)控來(lái)解決[26]，也可以采用先進(jìn)的數(shù)值模擬軟件優(yōu)化造腔管柱配置。

2.2 偏溶及礦柱比

金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)為單井單腔型，為了保證腔體間礦柱的穩(wěn)定性，不發(fā)生垮塌，鄰腔間需要保留一定寬度的礦柱[20-21]。一般用礦柱比表征安全礦柱寬度，礦柱比定義為鄰腔間最小礦柱寬度與兩個(gè)腔體直徑一半的比值。金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)安全礦柱比參考國(guó)外鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)，建設(shè)初期腔體直徑按照不小于2.5 設(shè)計(jì)，后期有所降低，介于2.3～2.4[22-23]。而一旦腔體發(fā)生偏溶，礦柱寬度可能降低，礦柱比將不滿(mǎn)足安全值，需要降低腔體直徑來(lái)滿(mǎn)足安全礦柱比的要求，這就導(dǎo)致腔體體積減小。

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，金壇注采氣井中約有9 口發(fā)生偏溶，對(duì)偏溶井及最近鄰井之間的礦柱比統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。統(tǒng)計(jì)的所有井均滿(mǎn)足安全礦柱比要求，但是由于偏溶導(dǎo)致相鄰腔體間礦柱寬度降低，其中，12 口井不得不降低腔體直徑和犧牲腔體體積來(lái)滿(mǎn)足安全礦柱要求。例如，偏溶井及最近鄰井的平均最大直徑約72.0 m，低于設(shè)計(jì)直徑80.0 m，腔體體積有一定損失。

表2 金壇偏溶腔體礦柱比統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Pillar/diameter of Jintan partial leached caverns

其中，影響較大的為F 井和G 井，F(xiàn) 井腔體直徑僅為66.0 m，鹽腔有效體積為19×104m3，鹽層利用率為1 385 m3/m。在深度1 130 m 處，兩腔體間最小礦柱寬度為175.7 m，如圖6a 所示。F 井位于G 井的西北方，兩口井均向北偏溶，如圖6b所示。受到偏溶的影響，兩腔體礦柱比較小，為2.49，F(xiàn) 腔體直徑需要降低，所以實(shí)際直徑比設(shè)計(jì)值80.0 m縮小了14.0 m，導(dǎo)致了該井腔體體積較小。而腔體直徑按照80.0 m 設(shè)計(jì)可達(dá)33×104m3，相比縮小了14×104m3。腔體偏溶限制了腔體直徑，嚴(yán)重降低了腔體體積。

圖6 偏溶對(duì)礦柱寬度的影響Fig.6 Effect on pillar by partial leaching

不溶物夾層及地層傾角相互作用對(duì)腔體偏溶起決定性作用。根據(jù)溶蝕特點(diǎn)，鹽層沿著地層上傾溶蝕速度快，該方向不溶物夾層懸空后受力不均發(fā)生垮塌，最終導(dǎo)致腔體沿地層上傾方向偏溶。例如，金壇偏溶腔體多發(fā)生在地層傾角在3.5?～10.0?的局部地區(qū)，且多為南北向偏溶，河南五里鋪鹽礦地層傾角約15.0?，腔體偏溶非常明顯。腔體偏溶主要是地質(zhì)條件決定的，很難進(jìn)行人為修正，但可在造腔前進(jìn)行預(yù)測(cè)并采取相應(yīng)措施來(lái)保證腔體體積。例如：（1）根據(jù)地層傾角及傾向預(yù)測(cè)新井偏溶方向，尤其是傾角較大的地層，鉆井前對(duì)井位進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。（2）采用穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，重新設(shè)計(jì)礦柱比，通過(guò)降低礦柱比P/D（最低2.0）來(lái)增加腔體直徑[22]。（3）通過(guò)傾斜造腔管柱對(duì)腔體偏溶進(jìn)行糾正等。

2.3 底坑形狀

金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)不溶物含量高，造腔過(guò)程中由于不溶物堆積，腔底呈現(xiàn)出不同的底坑形狀[24]，通常呈4 類(lèi)，分別為“V”形、“一”形、“”形和“A”形，如圖7 所示。

圖7 不同底坑形狀Fig.7 Different cavern bottom shape

腔體發(fā)展正常情況下，底坑一般呈現(xiàn)“V”形或“一”形，當(dāng)腔體畸形或偏溶，則容易出現(xiàn)“”形或“A”形。底坑形狀主要影響鹽腔儲(chǔ)氣體積，可用注氣排鹵效率來(lái)衡量。注氣排鹵效率定義為鹽腔儲(chǔ)氣空間體積與鹽腔總有效體積的比值。注氣排鹵效率越高，鹽腔空間利用率越大，腔內(nèi)剩余鹵水越少，儲(chǔ)存的天然氣越多。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)已投產(chǎn)井平均注氣排鹵效率為94.0%，即剩余鹵水體積占總有效體積的6%，單腔約1.3×104m3。

對(duì)金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)已經(jīng)投產(chǎn)井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)4 種底坑形狀的注氣排鹵效率依次降低，如表3所示。規(guī)則鹽腔底坑形狀呈“V”形或“一”形，占比較高，約70%。此類(lèi)底坑形狀有利于注氣排鹵，注氣排鹵效率最高，注氣排鹵后期只有極少量鹵水殘留在腔底。其中，“V”形底坑的鹽腔平均剩余鹵水約2 223 m3，注氣排鹵效率高達(dá)98.7%。而不規(guī)則底坑呈“”形、“A”形，占比約30%。此類(lèi)底坑注氣排鹵效率較低。其中，“A”形底坑的鹽腔平均剩余鹵水約26 379 m3，注氣排鹵效率最低為86.0%。

表3 不同底坑形狀的鹽腔注氣排鹵效率Tab.3 Debrining efficiency of cavern with different bottom shape

圖8 為不同的底坑形狀腔體體積隨深度變化曲線(xiàn)，圖中虛線(xiàn)為注氣排鹵結(jié)束時(shí)氣水界面深度，該深度距離腔底最低點(diǎn)越遠(yuǎn)，腔內(nèi)剩余鹵水越多，注氣排鹵效率越低。一般氣水界面距離井軸正下方底坑2～3 m，假設(shè)該值為3 m?？梢钥闯觯癡”形、“一”形底坑，由于注氣排鹵管柱可以下入腔底最低點(diǎn)，氣水界面距離腔底最低點(diǎn)最近，導(dǎo)致氣水界面之下剩余鹵水體積很少，所以注氣排鹵效率最高。而由于偏溶或造腔控制不佳，腔底形狀出現(xiàn)“”形、“A”形，排鹵管柱不能下入鹽腔最低位置，氣水界面距離腔底最低點(diǎn)較遠(yuǎn)，注氣排鹵結(jié)束后，氣水界面之下滯留大量鹵水，所以注氣排鹵效率較低。

圖8 不同底坑形狀剩余鹵水體積Fig.8 Residue brine of cavern with four kinds of bottom shape

正常造腔情況下，不會(huì)出現(xiàn)畸形底坑，絕大多數(shù)不規(guī)則底坑是腔體畸形或偏溶導(dǎo)致的。例如，“”形底坑主要是腔體沿著某一方向偏溶，該側(cè)不溶物釋放量增大，導(dǎo)致底坑堆積高于另一側(cè)形成的。而“A”形底坑主要是腔體某一深度處直徑縮小，上部不溶物下落范圍受限，只能堆積于腔底中心位置導(dǎo)致的?；蔚卓幽壳吧袩o(wú)有效控制手段，也無(wú)成功的新技術(shù)應(yīng)用案例。在未來(lái)可行的方法有：（1）在“A”形不溶物底坑頂部利用鉆孔工具鉆進(jìn)一定深度，然后下入排鹵管柱排出剩余鹵水。（2）采用可彎曲管柱或連續(xù)油管技術(shù)將管柱下入腔底最低部位進(jìn)行注氣排鹵。（3）鉆新井至鹽腔最低部位或不溶物堆積物之下，作為注氣排鹵井排空腔內(nèi)鹵水甚至不溶物孔隙中的鹵水。

3 結(jié)論

（1）金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)畸形、偏溶腔體約占總數(shù)的30%，畸形系數(shù)在（11.8～90.1）×10?3。畸形系數(shù)越大鹽層利用率越低。而腔體體積降低主要是受腔體畸形、偏溶及礦柱比影響，儲(chǔ)氣體積受底坑形狀影響較大。

（2）腔體畸形會(huì)嚴(yán)重?fù)p失鹽層，降低腔體體積。主要有兩種原因，一是腔體橫截面為橢圓形，二是不同深度的腔體直徑差別較大。這導(dǎo)致鹽腔周?chē)}層利用率較低，腔體體積降低。可通過(guò)降低注水排量、采用正循環(huán)預(yù)防，或采用天然氣阻溶回溶進(jìn)行修復(fù)擴(kuò)容。

（3）腔體偏溶會(huì)導(dǎo)致井間礦柱寬度過(guò)低，為滿(mǎn)足安全礦柱比要求，腔體直徑受限。金壇偏溶井可降低腔體體積約19%，鹽腔體積嚴(yán)重降低。可通過(guò)偏溶方向預(yù)測(cè)合理安排井位、降低礦柱比增加直徑、采用糾偏工具進(jìn)行偏溶糾正。

（4）底坑畸形使排鹵管柱不能下入鹽腔最低點(diǎn)，從而影響儲(chǔ)氣體積。金壇鹽腔底坑可分為4 種，分別為“V”形、“一”形、形、“A”形，其注氣排鹵效率依次降低，平均注氣排鹵效率為94%，單腔剩余鹵水約1.3×104m3。目前尚無(wú)有效手段進(jìn)行控制或提高注氣排鹵效率。