陳金宏，戴 威，王 靜

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司華北事業(yè)部 河北 任丘 062552)

·經(jīng)驗(yàn)交流·

聲納測(cè)量技術(shù)在儲(chǔ)氣庫(kù)造穴檢測(cè)中的應(yīng)用

陳金宏，戴 威，王 靜

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司華北事業(yè)部 河北 任丘 062552)

近年來(lái)為了實(shí)現(xiàn)天然氣調(diào)峰的目的，我國(guó)通過(guò)溶腔工藝建立了一批鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)，在整個(gè)建庫(kù)過(guò)程中，聲納測(cè)量技術(shù)發(fā)揮了無(wú)可代替的作用。本文主要介紹了聲納儀器的工作原理及結(jié)構(gòu)組成，及其在測(cè)定鹽穴溶腔各個(gè)階段的幾何形狀，計(jì)算出腔體體積大小及分布，發(fā)現(xiàn)腔體內(nèi)的異常變化，指導(dǎo)調(diào)整溶腔工藝，檢查溶腔工藝對(duì)于腔體異常變化的處理效果，預(yù)測(cè)溶腔形狀發(fā)展變化趨勢(shì)等方面的應(yīng)用。

鹽穴;溶腔;儲(chǔ)氣庫(kù);聲納測(cè)量技術(shù)

0 引 言

天然氣作為一種清潔的能源，在發(fā)電、民用等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣的應(yīng)用，然而受日產(chǎn)量和管道日輸送量的限制，用氣地區(qū)常常會(huì)出現(xiàn)用氣高峰時(shí)氣不夠用，低谷時(shí)氣剩余的問(wèn)題。為了解決這個(gè)難題，一般利用枯竭的油氣藏或溶解鹽巖層建立地下儲(chǔ)氣庫(kù)，通過(guò)季節(jié)調(diào)峰解決用氣峰谷期供用量間的矛盾[1]。最常見(jiàn)的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)是利用采鹽井或新鉆井眼作為溶腔，經(jīng)注入淡水排出鹵水的辦法進(jìn)行造穴，這期間主要通過(guò)進(jìn)行聲納測(cè)量后，適時(shí)調(diào)整注水管和采鹵管的相對(duì)位置，確保形成一定容積和幾何形狀的鹽穴。聲納測(cè)量技術(shù)作為目前監(jiān)測(cè)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)腔體體積及形狀的主要方法，它利用聲納測(cè)量?jī)x器采集測(cè)腔數(shù)據(jù)后，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及資料解釋，最終得到精確的鹽穴腔體二維及三維數(shù)據(jù)信息，為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔過(guò)程及后期注采提供指導(dǎo)。

1 聲納儀器工作原理及結(jié)構(gòu)組成

1.1 工作原理

聲納測(cè)量技術(shù)采用計(jì)算接收脈沖回波和發(fā)射脈沖信號(hào)之間的時(shí)間差來(lái)測(cè)量探測(cè)距離的方法，在已知所處環(huán)境的聲波速度的前提之下，只需測(cè)量聲脈沖信號(hào)往返時(shí)間即可求得探測(cè)距離[2]，即：R=(1/2)VT。R為測(cè)量距離，m；V為聲速，m/s；T為聲波信號(hào)往返時(shí)間，s。

實(shí)際測(cè)量通過(guò)測(cè)井電纜將聲納儀器沿鉆井井筒下放，聲納探頭出套管鞋后進(jìn)入鹽穴溶腔腔體，在指定深度探頭水平旋轉(zhuǎn)并向腔體體壁不斷發(fā)射出聲脈沖信號(hào)，檢測(cè)回波信號(hào)，數(shù)據(jù)經(jīng)測(cè)井電纜傳回地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，得到當(dāng)前深度上的腔體水平剖面圖。改變測(cè)量深度，則可得到腔體不同深度的水平剖面圖。再對(duì)鹽穴腔體的頂部、底部以及異常部分進(jìn)行探頭傾斜旋轉(zhuǎn)測(cè)量，就可以得到聲納探頭不同傾斜角度情況下的測(cè)量信號(hào)。通過(guò)對(duì)錄取到的資料進(jìn)行解釋，最終可以得到整個(gè)腔體精確的二維及三維圖像及參數(shù)。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

目前中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司用于西氣東輸鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)腔體檢測(cè)的聲納儀器是由德國(guó)SOCON公司引進(jìn)的，主要構(gòu)成及功能如下：

電纜接頭：連接測(cè)井電纜馬龍頭和井下儀器，傳輸測(cè)量信號(hào)并為井下儀器提供電源。

穩(wěn)定陀螺、CCL及MCCL系統(tǒng)：穩(wěn)定陀螺能夠產(chǎn)生與井下儀器旋轉(zhuǎn)相反的扭矩使井下儀器快速穩(wěn)定，CCL及MCCL能夠測(cè)量出單層或多層套管接箍及管鞋深度，便于校深。

壓力、溫度傳感器、聲速測(cè)量系統(tǒng)：測(cè)的井下儀器所處環(huán)境的壓力、溫度及聲波速度。

水平步進(jìn)電機(jī)：實(shí)現(xiàn)聲納探頭水平旋轉(zhuǎn)。

定位羅盤(pán)、傾斜測(cè)量電機(jī)及聲納探頭系統(tǒng)：確定磁北方向，控制聲納探頭傾斜角度及實(shí)現(xiàn)聲波信號(hào)的發(fā)射接收。

2 實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用

由于鹽巖地層的不均質(zhì)性，各種物質(zhì)在水中的溶解程度和溶解速度不同，因此造腔過(guò)程往往具有很大的不確定性[3]。通過(guò)聲納測(cè)量，定期測(cè)取溶腔形態(tài)及體積，及時(shí)發(fā)現(xiàn)腔體異常變化，并以此為指導(dǎo)采取一定的造腔控制工藝手段進(jìn)行調(diào)整，從而可以使鹽穴腔體始終遵循預(yù)期設(shè)計(jì)進(jìn)行發(fā)展變化，造腔風(fēng)險(xiǎn)處于可控制范圍之內(nèi)。

2.1 測(cè)定腔體形狀，計(jì)算腔體大小

利用聲納測(cè)量技術(shù)對(duì)鹽穴腔體從開(kāi)始溶腔到結(jié)束溶腔的各個(gè)階段，定時(shí)進(jìn)行腔體形狀及體積分布的測(cè)量，以測(cè)得結(jié)果為依據(jù)及時(shí)調(diào)整溶腔工藝，從而得到符合設(shè)計(jì)目的及達(dá)到安全要求的理想化的儲(chǔ)氣腔體。圖1為XX井指定方位腔體縱別面圖形，不同深度腔體體積如表1所示。

2.2 發(fā)現(xiàn)腔體異常變化，指導(dǎo)溶腔工藝調(diào)整

由于鹽穴地層的不均質(zhì)性，在溶腔過(guò)程中往往存在腔體表面有的部分易溶而有的部分難溶的情況，都會(huì)為造腔過(guò)程及注采階段帶來(lái)極大的安全隱患。運(yùn)用聲納測(cè)量技術(shù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn)，采取特定溶腔手段處理安全隱患。以圖2中的腔體縱剖面圖形為例，通過(guò)聲納測(cè)井發(fā)現(xiàn)腔體中上存在難溶部分，形成內(nèi)凹尖峰，如果不能夠及時(shí)處理，極有可能造成后續(xù)工作出現(xiàn)安全事故。

圖1 XX井指定方位腔體縱剖面圖形

深度/m半徑/m面積/m2深度范圍/m部分體積/m3累積體積/m31106．019．61203．71104．2～1107．03370．53370．51108．019．81233．91107．0～1109．02467．85838．31110．019．71217．91109．0～1111．02435．88274．11112．019．41186．61111．0～1113．02373．110647．21114．019．21157．71113．0～1115．02315．312962．51116．019．21158．71115．0～1117．02317．415279．91118．017．5959．41117．0～1119．01918．817198．71120．015．1720．91119．0～1121．01441．818640．51122．012．6498．11121．0～1123．0996．119636．61124．010．2328．11123．0～1125．0656．220292．81126．07．3169．01125．0～1127．0338．020630．81128．04．460．71127．0～1129．0121．420752．21130．01．910．81129．0～1131．223．820776．0

2.3 檢查腔體異常變化的處理效果

腔體出現(xiàn)異常時(shí)，經(jīng)過(guò)特定溶腔工藝[1]進(jìn)行處理后，必須要進(jìn)行聲納測(cè)量，驗(yàn)證溶腔異常情況的處理效果，制定下一步溶腔處理方法或者調(diào)整造腔工藝計(jì)劃。圖3中虛線為異常情況處理前測(cè)腔形狀，實(shí)線為異常情況處理后測(cè)腔形狀，可以看出在處理前溶腔在腔底部分形成一個(gè)易溶狹窄的外凸通道，這為以后腔體的注采儲(chǔ)氣造成了很大的安全問(wèn)題，通過(guò)特定填埋工藝處理后，再進(jìn)行聲納測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)外凸通道已經(jīng)完全被封死，可以繼續(xù)開(kāi)展下一步造腔工作。

圖2 XX井指定方位腔體縱剖面圖形

圖3 XX井前后兩次測(cè)量腔體縱剖面疊加圖

2.4 預(yù)測(cè)溶腔形狀發(fā)展變化趨勢(shì)

在鹽穴溶腔最初設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者們往往希望能夠得到最理想化的溶腔形狀和造腔體積，但是實(shí)際建設(shè)過(guò)程井下情況具有很大的不確定性，通過(guò)定時(shí)分段多次進(jìn)行聲納測(cè)量，取得不同造腔階段的體積形狀進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示，可以及時(shí)預(yù)測(cè)出腔體形狀及體積的發(fā)展變化趨勢(shì)，從而不斷調(diào)整并及時(shí)優(yōu)化溶腔設(shè)計(jì)，最終獲得理想的溶腔形狀和體積。

圖4 XX井多次測(cè)量腔體縱剖面疊加圖

3 結(jié)束語(yǔ)

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)不僅能夠保障天然氣長(zhǎng)輸安全和用氣較高地區(qū)的平穩(wěn)供氣，而且還能為國(guó)家提供充足的天然氣儲(chǔ)備，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和重要的戰(zhàn)略意義。利用聲納測(cè)量技術(shù)對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)腔體形狀和體積進(jìn)行及時(shí)有效的檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)腔體形狀和體積的變化，成功保障了儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的順利和安全進(jìn)行，具有極為廣闊的發(fā)展及應(yīng)用前景。中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司自2015年進(jìn)入鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)聲納測(cè)量領(lǐng)域以來(lái)，已累計(jì)完成各類聲納測(cè)井任務(wù)70余井次，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。

[1] 李 鐵,張永強(qiáng),劉廣文.地下儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)和發(fā)展[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2010,19(3):1-8.

[2] 王炳和,李宏昌.聲納技術(shù)的應(yīng)用及其最新進(jìn)展[J].物理,2001,30(8):491-495.

[3] 何愛(ài)國(guó). 鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)技術(shù)[J].天然氣工業(yè),2004,24(9):122-125.

Application of Sonar Survey Technique in the Gas Storage during the Cavern Leaching

CHEN Jinhong， DAI Wei， WANG Jing

(HuabeiDivision,ChinaPetroleumLoggingCo.Ltd.,Renqiu,Hebei062552,China)

Many gas storages are built by the solution mining technique in salt caverns to achieve the natural gas peak-shaving in China recently. The Sonar Survey Technique plays an irreplaceable role in the process of the storage construction. This article mainly talks about the working principle and the structure of the sonar tool, and also introduces the applications of the sonar tool in determining the geometrical shape of the caverns, calculating the volume and distribution, discovering the changes of the caverns, adjusting the solution mining technique, checking the treatment effects of the solution mining technique on the changes in the caverns and predicting the development trends of the cavern leaching.

salt cavern; solution mining; gas storage; sonar survey technique

陳金宏，男，1967年生,高級(jí)工程師，2003年6月畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。一直從事測(cè)井采集及科研管理工作。E-mail: chen_jinhong@163.com

TE972

A

2096-0077(2017)01-0098-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.024

2016-07-24 編輯：屈憶欣)