耿堯辰

（中國(guó)天辰工程有限公司工藝系統(tǒng)部，天津 300400）

鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)（簡(jiǎn)稱(chēng)“鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)”）是在較厚的鹽層或鹽丘中通過(guò)水溶形成的用于儲(chǔ)存天然氣的人工洞穴[1]。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的密封性（即機(jī)械完整性）直接關(guān)系到儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)存能力及運(yùn)行安全[2-4]，在儲(chǔ)氣庫(kù)的建造期乃至運(yùn)行期應(yīng)對(duì)其密封性進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)，以確保儲(chǔ)氣庫(kù)可以長(zhǎng)久安全運(yùn)行。

1 測(cè)試區(qū)域

整體鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)系統(tǒng)的密封性主要由注采氣井密封性和腔體（包括腔頸）密封性?xún)刹糠纸M成。一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)的密封性測(cè)試仍?xún)H對(duì)注采氣井的機(jī)械完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其原因主要?dú)w納為以下兩個(gè)方面。

1）從工程角度來(lái)講，鹽巖的滲透率非常低，因此幾乎可以認(rèn)為鹽巖是不可滲透的。相比于腔體（包括腔頸），天然氣從注采氣井處泄漏的可能性則大得多。

2）腔體的體積一般大于100000 m3，如果將腔體及注采氣井作為整體進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量誤差大。如果僅對(duì)體積較小的注采氣井進(jìn)行測(cè)試，則測(cè)試的靈敏度及準(zhǔn)確性高。

基于上述原因，一般只進(jìn)行注采氣井的密封性評(píng)價(jià)，而對(duì)注采氣井密封性的評(píng)價(jià)主要是為了測(cè)試最后固井套管鞋處的機(jī)械完整性。

2 測(cè)試壓力

一般來(lái)說(shuō)，最后固井套管鞋處的測(cè)試壓力不應(yīng)大于腔體的最大許用操作壓力，而最大許用操作壓力應(yīng)由鹽穴的埋深及其所處區(qū)域地層的巖石力學(xué)性質(zhì)來(lái)確定。

3 測(cè)試流體

測(cè)試流體一般選用氣體（氮?dú)猓┗蛞后w（燃料油）作為測(cè)試流體，由于氮?dú)獾酿ざ冗h(yuǎn)遠(yuǎn)低于液體，使用氮?dú)饪梢詸z測(cè)到非常微小的泄漏，因此最常選用氮?dú)庾鳛闇y(cè)試流體。

4 測(cè)試方法

按照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的不同，主要分為定性測(cè)試法和定量測(cè)試法兩種方法。

隨著我國(guó)科技和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，礦山生產(chǎn)的日處理能力大幅度提升，機(jī)械設(shè)備大型化、自動(dòng)化，廠房規(guī)模越來(lái)越大，礦山建設(shè)水平要求越來(lái)越高，所以礦山工業(yè)廠房的建筑設(shè)計(jì)思路中應(yīng)推陳出新，把新的理念加入到礦山建筑的設(shè)計(jì)中來(lái)，把礦山建筑打造成在滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)要求時(shí)，又富含人性化的節(jié)能環(huán)保綠色建筑。

4.1 定性測(cè)試法

API RP 1114 水溶洞穴地下儲(chǔ)庫(kù)設(shè)施的設(shè)計(jì)推薦作法中介紹了一種氮?dú)?鹵水測(cè)試（Nitrogen and Brine Test，NBT）法[5]，其為典型的定性測(cè)試法，該測(cè)試方法以腔體壓力及氣水界面的變化來(lái)判斷系統(tǒng)密封性是否合格。然而除了泄漏之外鹽巖蠕變、鹵水熱膨脹以及鹵水滲透等因素也可導(dǎo)致腔體壓力及氣水界面的變化[6]。測(cè)試時(shí)上述因素綜合在一起將對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生復(fù)雜的影響，對(duì)系統(tǒng)密封性的評(píng)價(jià)造成干擾，降低了測(cè)試的準(zhǔn)確性。

4.2 定量測(cè)試法

定量測(cè)試法通過(guò)電測(cè)工具等儀器獲得測(cè)試期間井內(nèi)溫度，壓力及氣水界面位置等參數(shù)，根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算出不同時(shí)間點(diǎn)的井內(nèi)氮?dú)饪傎|(zhì)量，進(jìn)而利用質(zhì)量平衡原理計(jì)算出氮?dú)獾谋碛^泄漏速率，以精確評(píng)估整體鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)系統(tǒng)的密封性。

4.2.1 計(jì)算

4.2.1.1 腔體預(yù)充壓的相關(guān)計(jì)算

在注入氮?dú)馇皯?yīng)先注入飽和鹵水預(yù)充壓腔體，使最后固井套管鞋處的壓力接近腔體的最大許用操作壓力。在實(shí)際泵入鹵水的過(guò)程中，應(yīng)通過(guò)監(jiān)控井頭處的鹵水壓力來(lái)控制最后固井套管鞋處的壓力。

1）井頭鹵水壓力的計(jì)算

式中：Pwh,B為預(yù)充壓時(shí)井頭處應(yīng)達(dá)到的鹵水壓力，MPa；Pmax為腔體最大許用操作壓力，MPa；Δp 為注氮導(dǎo)致的腔體壓力增量，MPa；ρbrine為飽和鹵水密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2；d 為預(yù)計(jì)的氣水界面深度，m。

式中：Vtest為（氮?dú)猓y(cè)試空間的幾何體積，m3；Vcavern為腔體凈體積，m3；K為腔體壓縮因子，MPa-1。

式中：Vbrine為泵入的飽和鹵水量，m3；ΔP 為腔體壓力變化量，MPa。

4.2.1.2 井頭氮?dú)庾畲鬁y(cè)試壓力的計(jì)算

當(dāng)腔體預(yù)充壓結(jié)束且井頭的鹵水壓力穩(wěn)定后，可以開(kāi)始注入氮?dú)?。與腔體預(yù)充壓一樣，應(yīng)通過(guò)監(jiān)控井頭處的氮?dú)鈮毫?lái)保證最后固井套管鞋處的壓力不超過(guò)腔體的最大許用操作壓力。

式中：Pwh,N為井頭氮?dú)庾畲鬁y(cè)試壓力，MPa；dLCCS為最后固井套管鞋深度，m；R為氮?dú)鈿怏w常數(shù)，J/(kg·K)；Z 為氮?dú)鈮嚎s因子，無(wú)量綱；T 為氮?dú)馄骄鶞囟?，K。

4.2.1.3 測(cè)試空間內(nèi)氮?dú)赓|(zhì)量的計(jì)算

氮?dú)庾鳛榭蓧嚎s流體，即使在恒溫條件下也會(huì)由于氣體靜壓力的影響而在垂直方向上存在著密度梯度，由于測(cè)試空間的垂直跨度達(dá)上千米，因此該密度梯度不可忽略。同時(shí)，測(cè)試空間內(nèi)的氮?dú)庖矔?huì)由于地層傳熱而在垂直方向上存在溫度梯度。

綜合上述兩點(diǎn)考慮，為了保證測(cè)試空間內(nèi)氮?dú)饪傎|(zhì)量計(jì)算的準(zhǔn)確性，應(yīng)將測(cè)試空間沿垂直方向劃分為若干區(qū)間，按照方程（4-5）來(lái)分別計(jì)算各個(gè)區(qū)間內(nèi)的氮?dú)赓|(zhì)量，再加和求得整個(gè)測(cè)試空間內(nèi)的總氮?dú)赓|(zhì)量。

式中：m 為氮?dú)赓|(zhì)量，kg；p 為氮?dú)馄骄鶋毫?，MPa；V 為區(qū)間的幾何體積，m3。

4.2.1.4 表觀泄漏速率的計(jì)算

通過(guò)公式4-5 計(jì)算出不同時(shí)刻井內(nèi)氮?dú)獾目傎|(zhì)量，并根據(jù)質(zhì)量守恒原理求得任意時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量泄漏速率，再將此質(zhì)量泄漏速率按照原位條件（最后固井套管鞋處的溫度及壓力條件）轉(zhuǎn)化為體積泄漏速率，即為表觀泄漏速率。

式中：L 為表觀泄漏速率，L/d；m1為井內(nèi)氮?dú)獾某跏伎傎|(zhì)量，kg；m2為t 時(shí)刻井內(nèi)氮?dú)獾目傎|(zhì)量，kg；Z 為溫度T 及壓力p 下的氮?dú)鈮嚎s因子；T 為氮?dú)獬跏紲囟燃皌 時(shí)刻溫度的算術(shù)平均值，K；p 為氮?dú)獬跏級(jí)毫皌 時(shí)刻壓力的算術(shù)平均值，MPa；t為測(cè)試時(shí)間，d。

4.2.2 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

由于在測(cè)量不同參數(shù)（溫度，壓力及氣水界面位置）時(shí)不可避免的會(huì)產(chǎn)生誤差，因此通常無(wú)法證明系統(tǒng)100%不泄漏，即絕對(duì)密封（absolute tight）。一般來(lái)說(shuō)，只要系統(tǒng)的表觀泄漏速率在測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，即最大容許泄漏速率（Maximum Admissible Leak Rate，MALR）之內(nèi)，則可以認(rèn)為系統(tǒng)的密封性合格，達(dá)到了技術(shù)密封（technically tight）水平。

KBB/UGS，DBI 以及ESK 等德國(guó)公司一般選用150 L/d 作為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，而其他公司，如法國(guó)的Geostock 公司等則一般選用150 kg/d 作為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

此外，系統(tǒng)內(nèi)保持常壓的部分（固井水泥環(huán)空及緩蝕劑環(huán)空等）在測(cè)試中不應(yīng)出現(xiàn)壓力增長(zhǎng)，灌滿(mǎn)水的方井中不應(yīng)出現(xiàn)氣泡。必須同時(shí)滿(mǎn)足上述標(biāo)準(zhǔn)才能認(rèn)定系統(tǒng)的密封性合格。

5 結(jié)論

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的密封性直接關(guān)系到儲(chǔ)氣庫(kù)的安全運(yùn)行以及投資效益，應(yīng)在建造過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)。密封性的測(cè)試方法主要分為定性法和定量法，由于定量法的準(zhǔn)確度高且測(cè)量結(jié)果不受腔體蠕變等因素影響，因此通常選用定量法來(lái)測(cè)試并評(píng)價(jià)儲(chǔ)氣庫(kù)系統(tǒng)的機(jī)械完整性。