李國韜 霍永勝 郝國永

（1.中國石油大港油田公司鉆采工藝研究院，天津 大港 300280；2.中國石油西氣東輸管道公司儲氣庫項目部，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.中國石油渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司，河北 任丘 062552）

國外鹽穴儲氣庫鹽腔殘留水治理措施分析

李國韜1霍永勝2郝國永3

（1.中國石油大港油田公司鉆采工藝研究院，天津 大港 300280；2.中國石油西氣東輸管道公司儲氣庫項目部，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.中國石油渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司，河北 任丘 062552）

鹽腔殘留水會對天然氣注采系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響，尤其是天然氣水合物的影響。如何防止回采天然氣生成水合物，對確保儲氣庫正常運(yùn)行至關(guān)重要。為此，從介紹儲氣庫鹽腔殘留水堵塞管道、腐蝕金屬管線、降低熱值及形成水塞的幾大危害入手，分析了儲氣庫鹽腔殘留水的來源及形成過程。重點(diǎn)對國外鹽穴儲氣庫鹽腔殘留水治理措施進(jìn)行了分析。同時對國內(nèi)剛剛起步的鹽穴儲氣庫的鹽腔殘留水處理提出了深化溶腔監(jiān)測技術(shù)、開展有機(jī)液體與鹽水混合物地面分離研究等建議。

鹽穴儲氣庫 鹽腔殘留水 治理措施 鹽腔排鹵 沉積坑覆蓋

0 引言

鹽穴儲氣庫是利用水溶法在鹽層上溶蝕出一定體積的鹽腔建造而成的。投入運(yùn)行后，總會有一些在溶腔產(chǎn)生的鹽水殘留于儲氣鹽腔內(nèi)，造成在鹽腔中儲存的天然氣中含水。鹽腔中的殘留水危害較大，對天然氣設(shè)備及管線均會產(chǎn)生損害，甚至?xí)绊懱烊粴庥脩舻挠脷庖?。為此，筆者將結(jié)合國外對鹽穴儲氣庫鹽腔殘留水的治理方法及成果，來探討我國剛剛起步的鹽穴儲氣庫建設(shè)及殘留水治理措施。

1 鹽腔殘留水的危害

鹽腔中的殘留水會帶來不少問題，包括：①在地面流程的管線和設(shè)備中生成水合物，對設(shè)備造成損害，甚至全部堵塞管道；②當(dāng)天然氣中含有CO2和H2S等酸性氣體時會加劇對金屬管線的腐蝕；③含水后天然氣的熱值會降低，不能滿足用戶對氣質(zhì)指標(biāo)的要求；④水蒸氣遇冷凝析成水，在管道輸送中形成水塞，增大阻力；⑤采氣管柱中形成的冷凝水向下滑脫，會溶解腔體頸部的鹽，形成溝槽，當(dāng)測井儀器提出鹽腔時，可能會卡在這些溝槽中。

國外實踐表明，在上述問題中，對天然氣注采氣系統(tǒng)危害最大的是天然氣水合物，絕大部分的天然氣回采發(fā)生在水合物的生成區(qū)［1］。丹麥DanskOil?eog天然氣有限公司與荷蘭N，V.NederlandseGasunie公司合作進(jìn)行的一項在鹽穴天然氣地下儲氣庫中長期快速抽氣試驗表明，在僅含有微量水汽的情況下，只要壓力和溫度適合，就會生成水合物，并不需要有液態(tài)水的參與［2］。圖1給出的是天然氣形成水合物的熱力學(xué)平衡曲線。在曲線的左側(cè)能夠形成水合物且保持穩(wěn)定，而在曲線右側(cè)不能形成水合物或者水合物會分解。國外研究表明，對于天然氣水合物的防治，最有效、對系統(tǒng)運(yùn)行影響最小的措施是降低天然氣中水的含量。對從鹽穴儲氣庫中抽出的氣體，必須考慮干燥處理，去除大部分水份，處理后天然氣中含水量通常不超過70mg／m3［3］。

2 鹽腔殘留水的來源

鹽穴儲氣庫的儲氣鹽腔是通過注水溶鹽產(chǎn)生的，這個過程被稱為溶腔。在溶腔結(jié)束的時候，鹽腔內(nèi)充滿了鹽水。這些鹽水被第一次注入的天然氣

驅(qū)替出來。圖2是第一次注氣排鹵時的管柱示意圖。天然氣通過生產(chǎn)管柱和排鹵管柱的環(huán)空注入，鹽水通過排鹵管柱被驅(qū)替至地面。在注氣驅(qū)替排鹵后，在不溶物沉積坑表面上的鹽腔內(nèi)殘留了一定量的鹽水不能夠排出。不溶物沉積坑的形狀是影響這些殘留鹽水體積的決定性因素，最理想的情況是在鹽腔軸向最深處形成一個薄的碗狀沉積坑，但這種情況很難實現(xiàn)。沉積坑上面殘留的鹽水體積可達(dá)數(shù)百甚至數(shù)萬立方米。

圖1 天然氣水合物的熱力學(xué)平衡曲線圖

沉積坑始于最終完鉆之時，并在?溶腔過程中逐漸形成。沉積坑包括鹽層中的不溶沉積物如硬石膏和泥土等，同時也包括在飽和鹽水中不能溶解的鹽塊。沉積坑呈漏斗形，它的厚度取決于鹽腔最終要達(dá)到的直徑和鹽層中的固相成分。沉積坑內(nèi)的不溶沉積物可重達(dá)數(shù)噸。目前國外對于沉積坑中不溶沉積物的物理性質(zhì)、孔隙度、滲透率的研究還不夠深入，僅僅根據(jù)不溶沉積物的結(jié)構(gòu)和組分進(jìn)行研究，導(dǎo)致上述性能參數(shù)在很大范圍內(nèi)變化。

3 殘留水治理

目前國外解決鹽腔殘留水危害的方法主要有兩類，分別為阻止蒸汽進(jìn)入儲存的天然氣內(nèi)（沉積坑覆蓋）以及設(shè)法將鹽腔底部的殘留鹽水驅(qū)替干凈（鹽腔排鹵）。

3.1 沉積坑覆蓋技術(shù)

德國在Bemburg鹽穴儲氣庫嘗試了一種方法，將一種特殊的覆蓋物質(zhì)送到鹽腔內(nèi)殘留的鹽水表面，起到隔離水蒸氣、避免水從鹽腔傳給儲存天然氣的作用。這種覆蓋物質(zhì)具有以下性質(zhì)：水分子不能穿透，比鹽水輕，低蒸汽壓力且自擴(kuò)散，被鹽層落物破壞后能自我修復(fù)，鹽腔工況條件下性能穩(wěn)定，容易用泵抽汲，無毒、無危險且價格便宜。

迄今為止，所嘗試的物質(zhì)都還不能完全滿足以上條件，沉積坑覆蓋技術(shù)也沒有得到滿意的結(jié)果。目前這個技術(shù)尚處于探索階段。

圖2 注氣排鹵的管柱示意圖

3.2 鹽腔排鹵技術(shù)

目前為止，國外研究對于是否必須要排除干凈沉積坑包括沉積物孔隙中的鹽水，還是僅去除沉積物上面的自由鹽水的問題，還沒有確定性結(jié)論。但可以確定的是當(dāng)沉積物表面的水蒸發(fā)掉后會產(chǎn)生鹽結(jié)晶，鹽結(jié)晶能夠封閉沉積物孔隙，延遲沉積物孔隙中的水向天然氣中蒸發(fā)，但這種延遲有多大效果尚無科學(xué)結(jié)論。

1）管柱排鹵。目前常用的管柱排鹵技術(shù)主要是

采用連續(xù)油管和加深排鹵管柱的方法?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，試圖利用連續(xù)油管和加深排鹵管柱的方法抽干沉積坑中的殘留水體時，總會發(fā)生諸如沒有有效的方法來控制鹽腔內(nèi)管柱的方向及排鹵管柱被固體阻塞等問題。

2）頻繁注采。頻繁的注采鹽腔內(nèi)的天然氣會減少天然氣在鹽腔內(nèi)儲存的時間，也就減少了水蒸發(fā)的時間，從而降低天然氣中蒸汽的含量。但注采周期受到天然氣市場的制約。在德國，鹽腔內(nèi)儲存的天然氣一年最多注采一次，我國也基本處于同樣的注采周期狀態(tài)。實驗?zāi)M計算表明，僅僅靠循環(huán)注采天然氣的方式來采干鹽腔內(nèi)殘留的鹽水也幾乎是不可能的（表1）。

3）用有機(jī)液體頂替鹽水。目前國外正致力于研究向殘留鹽水中注入一種有機(jī)液體，利用混合在鹽水里的有機(jī)液體驅(qū)替殘留的鹽水。該工藝的主要步驟為：①通過排鹵管柱將該有機(jī)液體泵入沉積坑殘留鹽水中；②通過排鹵管柱注入天然氣，與鹽水和有機(jī)液體充分混合；③通過生產(chǎn)管柱和排鹵管柱環(huán)空注入天然氣，將混合物從排鹵管柱中頂替出來；④混合物在地面進(jìn)行處理；⑤處理后的有機(jī)液體繼續(xù)被泵入殘留鹽水中；⑥重復(fù)上述步驟直到沉積坑中殘留水的含量降低到天然氣不用進(jìn)行干燥處理就能滿足用戶需要的程度。目前國外開展實驗的有機(jī)液體是甲醇或乙二醇，殘留在沉積坑中的甲醇能揮發(fā)到天然氣內(nèi)和天然氣一同排出，乙二醇能對存留于沉積物孔隙中的鹽水起到非常有效的覆蓋作用，甲醇完全揮發(fā)，不能起到這個作用。

表1 通過循環(huán)天然氣排除鹽水的計算表

這種方法的效果已初步得到了驗證，其能否推廣的關(guān)鍵在于應(yīng)用這種方法的費(fèi)用和利用天然氣干燥處理裝置的費(fèi)用對比。應(yīng)用有機(jī)液體頂替鹽水方法的費(fèi)用主要是處理廠和頂替液體的投資。從目前國外的實驗情況來看，當(dāng)殘留自由鹽水量小于1000 m3時，用有機(jī)液體頂替鹽水是比較經(jīng)濟(jì)的一種方法。

4 結(jié)論及建議

1）我國的鹽穴儲氣庫處于剛剛起步階段，更多的研究重點(diǎn)集中于如何建穩(wěn)定的容量大的鹽腔，如何安全順利操作等方面，對于影響天然氣注采系統(tǒng)運(yùn)行的殘留水的治理措施研究經(jīng)驗不足。為此，應(yīng)借鑒國外鹽穴儲氣庫的運(yùn)行經(jīng)驗，有針對性地開展天然氣干燥處理、鹽腔殘留水控制等方面的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化研究工作，以提高鹽穴儲氣庫天然氣注采系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

2）國外研究表明，不溶物沉積坑的形狀是影響鹽腔殘留鹽水體積的決定性因素。應(yīng)針對國內(nèi)建庫鹽層的特點(diǎn)，深化溶腔工藝、溶腔設(shè)備、溶腔監(jiān)測等技術(shù)研究，盡可能形成有利的不溶物沉積坑形狀，為最大程度地減少鹽腔殘留水創(chuàng)造條件。

3）國外針對鹽腔殘留水已經(jīng)開展了大量的研究和現(xiàn)場實踐工作，但水從沉積坑中蒸發(fā)到被儲存的天然氣中的問題還遠(yuǎn)未解決，目前研究的重點(diǎn)是如何利用有機(jī)液體頂替殘留鹽水，但還需進(jìn)一步的現(xiàn)場實驗和經(jīng)濟(jì)論證。國內(nèi)應(yīng)在汲取和借鑒國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展有機(jī)液體優(yōu)選、有機(jī)液體與鹽水混合物地面分離等研究工作，并進(jìn)行現(xiàn)場試驗，以優(yōu)化天然氣注采系統(tǒng)，提高鹽穴儲氣庫的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］武雪紅.鹽穴天然氣地下儲氣庫運(yùn)行管理綜述［J］.天然氣與石油，2008，26（4）：1-4.

［2］譚羽非.國外鹽穴地下儲氣庫的建設(shè)及研究進(jìn)展［J］.油氣儲運(yùn)，2001，20（1）：7-8.

［3］閻光燦，王曉霞.地下儲氣庫建設(shè)技術(shù)［J］.天然氣與石油，2004，22（2）：8-14.

（編輯：蔣龍）

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2095-1132（2014）04-0048-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.04.014

修訂回稿日期：2014－07－14

李國韜（1975－），碩士，高級工程師，從事儲氣庫注采工藝的科研、設(shè)計工作。E-mail：liguotao001@126.com。