王建夫 朱闊遠 李友才 范麗林 王文厚 葛超

中國石油華北油田分公司

金壇鹽穴儲氣庫是中國第一座鹽穴儲氣庫，經(jīng)過10 多年的發(fā)展，已經(jīng)成為中國甚至亞洲最大的鹽穴儲氣庫［1-2］。但是前期缺乏造腔經(jīng)驗，造腔速度慢，單腔建設(shè)周期約3～5 a，鹽腔有效體積小，平均單腔有效體積不足25×104m3，嚴重制約了建庫速度。許多學者對造腔參數(shù)進行過優(yōu)化研究［3-7］，但多是采用數(shù)值模擬方法，缺乏現(xiàn)場數(shù)據(jù)支持。隨著對金壇儲氣庫造腔經(jīng)驗的積累及造腔認識的不斷加深，通過分析現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對影響造腔效果的關(guān)鍵因素進行了優(yōu)化。經(jīng)過優(yōu)化，造腔有效體積和造腔速度能夠顯著提高。優(yōu)化結(jié)果可為金壇鹽穴儲氣庫造腔提供理論指導。

1 造腔基本流程

造腔是指在一定條件下，通過井眼將淡水或低濃度鹵水注入鹽層中，溶解鹽巖并排出鹵水，在地下形成特定形態(tài)的儲存空間的過程［8］。造腔過程可分為3 個階段，如圖1 所示。第1 階段建槽，采用正循環(huán)注水方式，在鹽層底部溶漓出一個“陀螺”形狀底坑，用來承裝上部堆積的不溶物；第2 階段建腔，主要采用反循環(huán)注水方式，在鹽層中部快速溶漓出一個近似圓柱形的鹽腔主體，該部分體積最大，是主要的儲集空間；第3 階段封頂，通過不斷上提油墊，在鹽層上部逐漸形成階梯狀拱形腔頂，起到穩(wěn)定作用。

圖1 腔體發(fā)展過程Fig. 1 Cavern development process

針對每個階段的發(fā)展特點進行造腔優(yōu)化，可顯著提高造腔速度和鹽腔有效體積。建槽期是第1 次注水造腔，由于鹽腔體積小，不溶物堆積較快，該時期主要的優(yōu)化參數(shù)是注水排量和油墊距內(nèi)管距離。建腔期腔體體積已經(jīng)較大，排鹵質(zhì)量濃度較高，為了快速造腔，該時期主要優(yōu)化的參數(shù)是造腔管口距離、注水排量和循環(huán)方式。封頂期是造腔的最后一個階段，主要考慮腔體的穩(wěn)定性，該時期優(yōu)化的參數(shù)是油墊提升高度。下面對以上參數(shù)分別進行優(yōu)化研究。

2 造腔優(yōu)化方案

鹽穴儲氣庫造腔優(yōu)化主要包括注水循環(huán)方式優(yōu)化、油墊提升高度優(yōu)化、注水排量優(yōu)化、造腔管距優(yōu)化。通過優(yōu)化可提高鹽腔有效體積和造腔速度。

2.1 注水循環(huán)方式

2.1.1 反循環(huán)為主，顯著提高造腔速度

金壇儲氣庫建設(shè)早期油水界面監(jiān)測手段少，費用高，主要采用正循環(huán)造腔，隨著光纖界面儀的研制成功，可對油水界面精確測量，且成本低，所以目前建腔期的井主要采用反循環(huán)造腔。為了盡量排除其他影響因素，選取金壇處于建腔期的6 口井，對內(nèi)外管距相近、排量接近的正、反兩個階段的排鹵質(zhì)量濃度進行比較，結(jié)果表明反循環(huán)造腔可比正循環(huán)造腔平均提高排鹵質(zhì)量濃度10.2%，如圖2 所示?？梢娫烨环绞綉?yīng)以反循環(huán)為主，可顯著提高排鹵質(zhì)量濃度，從而提高造腔速度。

圖2 正、反循環(huán)排鹵質(zhì)量濃度對比Fig. 2 Comparison of brine mass concentration between direct and reverse circulation

2.1.2 正循環(huán)為輔，進行修復擴容

反循環(huán)造腔可以提高造腔速度，但是不利于腔體形狀控制。當階段造腔體積沒達到設(shè)計值或不溶物夾層未垮塌等導致腔體底部出現(xiàn)畸形和偏溶等情況時［9-10］，需要適當采用正循環(huán)進行調(diào)整。例如，JT3 井第4 聲吶結(jié)果顯示造腔體積比設(shè)計值少了12 000 m3，如果采用反循環(huán)則因為注水點在上部無法對下部腔體有效擴容，所以下階段采用正循環(huán)，將內(nèi)管下入腔體底部擴容，如圖3a 所示。數(shù)值模擬表明在腔體直徑相同的情況下，最終腔體體積可增加25 825.2 m3。JT4 井第9 次聲吶顯示在深度1 110 m處出現(xiàn)不溶物夾層形成的巖脊，之后各造腔階段均將造腔內(nèi)管下入該深度處，采用正循環(huán)反復修復，最終該處巖脊被溶解，如圖3b 所示。所以適當采用正循環(huán)，可有效進行腔體修復擴容。

圖3 正循環(huán)對腔體修復擴容示意圖Fig. 3 Sketch of cavern restoration and expansion during direct circulation

2.2 油墊上提高度

油水界面調(diào)整對腔體形狀發(fā)展具有重大影響，特別是建槽期和封頂期，應(yīng)該嚴格控制。建槽期油水界面距內(nèi)管應(yīng)控制在合適距離。距離太大，揭開鹽層厚度過大，會導致不溶物堆積過快，下部鹽層未溶蝕而被埋［11-13］，而距離太小，會導致腔體體積太小，前期直徑過大，不利于后續(xù)腔體直徑控制。選取金壇建槽層不溶物含量和建槽體積相近，且油水界面與內(nèi)管距離在22.0～85.3 m 之間的6 口建槽井進行分析，第一次建槽情況如圖4 所示。結(jié)果顯示，當油水界面距內(nèi)管距離為30～40 m 時，底坑抬升速度較慢，腔體形狀較好，為“陀螺”狀，腔體體積在23 000～30 000 m3之間，直徑在45～60 m 之間。此時，腔體體積滿足聲吶檢測要求，造腔內(nèi)管被埋長度較小，腔體形狀也滿足后續(xù)腔體直徑控制在80 m 內(nèi)的要求。所以第1 次建槽時，油墊距內(nèi)管口距離建議在30～40 m 之間較為合適。

圖4 第1 次建槽油墊提升高度對不溶物抬升的影響Fig. 4 Influence of the lift height of diesel blanket in the stage of the first sump construction on the insoluble uplift

中期建腔時油水界面上提距離在5～30 m 之間，一般為15 m［14］。封頂期為了形成穩(wěn)定的階梯狀拱形腔頂，油水界面調(diào)整次數(shù)需要增加，油水界面上提距離需要減少。經(jīng)過統(tǒng)計分析封頂期油水界面上提距離小于10 m，腔頂形狀較好，如圖5a。當油水界面上提距離大于10 m，容易形成平頂，如圖5b 所示。此外，最后幾個階段油水界面上提距離較短，需要階段造腔時間也較短，約2～3 個月，這也便于造腔控制，避免異常溶蝕發(fā)現(xiàn)不及時。

圖5 封頂期油墊提升距離對腔頂影響Fig. 5 Influence of the lift distance of diesel blanket in the stage of roof forming on the cavern top

2.3 注水排量

注水排量對排鹵質(zhì)量濃度和腔體形狀的規(guī)則程度影響較大，尤其是建槽期的腔體形狀，一旦發(fā)生畸形偏溶，對后續(xù)腔體發(fā)展都會產(chǎn)生不利影響［3,15］。經(jīng)過統(tǒng)計，建槽初期采用正循環(huán)，注水排量緩慢增加，由30～50 m3/h 逐漸增加到80～100 m3/h。為了分析建槽期排量對排鹵質(zhì)量濃度和造腔速度的影響，選取平均注水排量在50～100 m3/h 之間的造腔井分析，結(jié)果如圖6 所示。隨注水排量增加，平均排鹵質(zhì)量濃度逐漸降低，平均造腔速度先增加后降低。注水排量在80～90 m3/h 之間，造腔速度最大。同時考慮到注水排量對形狀的影響，優(yōu)化建槽期注水排量在80～90 m3/h 之間，既可以保證排鹵質(zhì)量濃度在200 g/L，也可達到較高的造腔速度175 m3/d。

隨著腔體增大，鹵水與腔體接觸面積增加，排出鹵水質(zhì)量濃度逐漸增高。對金壇建腔期造腔條件相似的反循環(huán)造腔井進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖7 所示，發(fā)現(xiàn)建腔期隨著注水排量增加，排鹵質(zhì)量濃度變化不大，都在310 g/L 以上，由此，導致了造腔速度隨注水排量呈明顯的線性增加。但是注水排量增加會顯著增加沿程壓耗，當注水排量在120 m3/h，沿程壓耗高達6.15 MPa。同時考慮到注水設(shè)備承壓，優(yōu)化建腔期注水排量在90～100 m3/h 之間，此時造腔速度較高，可達300 m3/d 以上。

圖6 建槽期不同注水排量下造腔速度和排鹵質(zhì)量濃度Fig. 6 Cavern construction speed and brine mass concentration at different water injection rate in the stage of sump construction

圖7 建腔期不同注水排量下造腔速度和排鹵質(zhì)量濃度Fig. 7 Cavern construction speed and brine mass concentration at different water injection rate in the stage of main construction

2.4 造腔管距

造腔管柱相對距離主要影響鹽腔形態(tài)發(fā)展和排鹵質(zhì)量濃度。為了優(yōu)化造腔內(nèi)外管距，對金壇建腔期正、反循環(huán)造腔井分別統(tǒng)計造腔管距對排鹵質(zhì)量濃度和造腔速度的影響。

統(tǒng)計的正循環(huán)造腔管距在35～75 m 之間，結(jié)果如圖8 所示。發(fā)現(xiàn)45 m 造腔管距是影響排鹵質(zhì)量濃度的關(guān)鍵點，當造腔管距大于45 m，排鹵質(zhì)量濃度基本不隨造腔管距變化，當造腔管距小于45 m，隨著造腔管距減小，排鹵質(zhì)量濃度逐漸降低。這是因為注入的淡水上浮過程中不斷與腔內(nèi)鹵水混合，濃度不斷增加，直至與周圍鹵水濃度相同。當造腔管距較大時，注入的淡水還未到達排出管口位置就與周圍鹵水完全混合，濃度相同了，所以此時排鹵質(zhì)量濃度與造腔管距無關(guān)。據(jù)此，建腔期正循環(huán)造腔優(yōu)化造腔管距不低于45 m，此時排鹵質(zhì)量濃度可達到280 g/L，不會明顯降低。

圖8 正循環(huán)不同造腔管距下造腔速度和排鹵質(zhì)量濃度Fig. 8 Cavern construction speed and brine mass concentration at different leaching tubing inlet distance during direct circulation

圖9 反循環(huán)不同造腔管距下造腔速度和排鹵質(zhì)量濃度Fig. 9 Cavern construction speed and brine mass concentration at different leaching tubing inlet distance during reverse circulation

統(tǒng)計反循環(huán)造腔管距在10～62 m 之間，結(jié)果如圖9 所示，可以發(fā)現(xiàn)反循環(huán)時，排鹵質(zhì)量濃度均大于300 g/L，基本不受造腔管距影響。這是因為建腔期腔體較大，不飽和鹵水有充分接觸面積和時間來溶蝕腔壁，導致大量的飽和鹵水聚集在造腔內(nèi)管底部后排出。同時，因為造腔速度正比于排鹵質(zhì)量濃度乘以注水速度，所以，造腔速度與注水排量正相關(guān)性較好。據(jù)此，建腔期反循環(huán)造腔時，優(yōu)化內(nèi)外管距至少在10 m 以上，可達到較高的排鹵質(zhì)量濃度，平均在300 g/L 以上，同時造腔速度不受管距影響。

3 結(jié)論

(1)第1 次建槽時，油水界面距內(nèi)管距離應(yīng)控制在30～40 m 之間，此時腔體形狀呈陀螺狀，便于后期腔體形狀控制，建槽期注水排量由30～50 m3/h 緩慢增加到80～90 m3/h，可保證造腔速度。

(2)建腔期反循環(huán)造腔較正循環(huán)可提高排鹵質(zhì)量濃度10.2%，而適當采用正循環(huán)可有效修復擴容腔體，所以循環(huán)方式應(yīng)以反循環(huán)為主，正循環(huán)為輔，注水排量在90～100 m3/h 之間，在保證造腔速度的同時，可顯著提高鹽腔有效體積。

(3)建腔期正循環(huán)造腔時排鹵質(zhì)量濃度受造腔管距影響關(guān)鍵點為45 m，反循環(huán)時排鹵質(zhì)量濃度不受造腔管距影響。正、反循環(huán)造腔時優(yōu)化造腔管距分別為45、10 m，可保證較高的排鹵質(zhì)量濃度，從而提高造腔速度。