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        一種地下鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)溶腔體積的優(yōu)化計(jì)算方法

        2020-04-11 11:09:50于鵬亮
        石油化工應(yīng)用 2020年3期

        于鵬亮

        (北京普瑞浩特能源科技有限公司,北京 100012)

        容積是建造儲(chǔ)氣庫(kù)的重要指標(biāo),直接決定儲(chǔ)氣庫(kù)的庫(kù)容和調(diào)節(jié)功能。對(duì)于鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù),溶腔過程中必須有效跟蹤儲(chǔ)氣庫(kù)的體積變化,以便確定相應(yīng)的腔體形狀、測(cè)試時(shí)機(jī)和停井時(shí)間,及時(shí)調(diào)整后期溶腔方案,最終高效、穩(wěn)定地完成目標(biāo)庫(kù)容鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)的建造?,F(xiàn)有的物質(zhì)平衡法在折算地下溶蝕鹽巖體積時(shí),由于已經(jīng)濾取的腔體為鹵水所占據(jù),且鹵水中通常也有大量其他可溶鹽類或離子的存在,故此僅依靠返出鹵水中的NaCl 成分來(lái)折算溶腔體積的做法是不可取的。

        1 模型框架

        鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)井的返鹵密度直接反映了腔內(nèi)鹵水密度的變化。典型返鹵密度變化趨勢(shì)(見圖1),大體可分為驅(qū)替期、上升期和穩(wěn)定期。開井初期返鹵密度較高甚至接近飽和,開始注水后,清水開始驅(qū)替并稀釋腔內(nèi)鹵水,返鹵密度先高后低;隨著溶蝕時(shí)間的增加,腔體逐步增大,返鹵濃度開始緩慢提高;當(dāng)返鹵密度到達(dá)某一數(shù)值后開始趨穩(wěn),最終不再增加。這一現(xiàn)象表明注入水并未全部參與溶蝕過程。其中滯留水將留在腔體參與溶解進(jìn)程。而產(chǎn)出水則與井腔內(nèi)的鹵水相混合,最終排出腔體。注入水等于滯留水和產(chǎn)出水之和。

        據(jù)此,可以架構(gòu)如下的物質(zhì)平衡關(guān)系模型框架:巖鹽的溶解質(zhì)量包含滯留水的溶解質(zhì)量和產(chǎn)出水?dāng)y帶的溶解質(zhì)量?jī)刹糠帧<僭O(shè)巖鹽在溶解前后溶液體積不發(fā)生變化,則溶腔體積Vt等于注采體積差V1與注采質(zhì)量差折算的腔內(nèi)鹵水體積V2之和。

        同時(shí),溶腔體積Vt亦由鹽腔的凈體積V、不溶物堆積并膨脹后所占據(jù)的體積Vi兩部分構(gòu)成(見圖2)。

        圖1 某鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)井返鹵密度的典型變化曲線Fig.1 The typical changing curve of brine density about a salt-cavern underground storage well

        圖2 優(yōu)化后的物質(zhì)平衡關(guān)系模型框架Fig.2 The optimization mass-balance relationship model framework

        2 計(jì)算方法

        2.1 總體積

        通常情況下,注水量大于返鹵量,溶腔體積為:

        而當(dāng)注水量小于或等于返鹵量時(shí),溶腔體積為:

        其中:Qw、Qb-注水和返鹵流量,m3/h;ρw、ρb、ρc-注入水、返出鹵水及腔內(nèi)鹵水密度,kg/m3,取ρb=ρc。

        2.2 凈體積計(jì)算

        假設(shè)不溶物含量為A,%。不溶物蓬松系數(shù)為β,無(wú)量綱,不溶物的堆積體積為:

        則鹽穴的凈體積為:

        2.3 不溶物含量和蓬松系數(shù)的取值

        鹽穴在溶蝕過程中沉降的不溶物以地層中天然硬石膏水化后的產(chǎn)物—二水石膏(CaSO4·2H2O)為主,并因沉積環(huán)境的不同兼有砂質(zhì)、泥質(zhì)和其他不溶鹽類等不溶物。除此之外,由于鹽腔底部為飽和鹵水,井壁崩落的鹽塊墜入其中后將不再溶解,因此也是鹽腔底部不溶物的重要來(lái)源。

        圖3 某鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)井最近兩次聲吶測(cè)試的鹽腔底部疊加對(duì)比Fig.3 Comparison of the bottom level between the two last sonar surveys of some cavern

        不溶物含量的取值除要參考測(cè)井解釋成果、巖心分析結(jié)果和擬合歷史外,應(yīng)當(dāng)著重實(shí)際的不溶物含量,以便同時(shí)匹配體積、鹽腔底部深度的變化(見圖3)。

        實(shí)際不溶物含量A 可根據(jù)實(shí)測(cè)腔體凈體積的增幅Vdi和不溶物所占據(jù)體積的增量Vjj進(jìn)行計(jì)算。

        其中,硬石膏全部轉(zhuǎn)化為二水石膏時(shí)其理論絕對(duì)體積將增大58 %,考慮其他不溶物并不發(fā)生水化膨脹,因此不溶物蓬松系數(shù)β 一般取1.5。

        3 應(yīng)用情況

        根據(jù)前述方法,在已知?dú)v史實(shí)測(cè)體積數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,對(duì)某鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)項(xiàng)目UGS1 井的不溶物含量進(jìn)行反向折算,其結(jié)果(見表1)。從表1 折算結(jié)果來(lái)看,與傳統(tǒng)的物質(zhì)平衡計(jì)算法相比,優(yōu)化計(jì)算法更加接近軟件模擬結(jié)果,能夠比較準(zhǔn)確地反映鹽穴體積發(fā)展的真實(shí)情況。

        某鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)項(xiàng)目在溶鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)井4 口,應(yīng)用上述方法分別對(duì)其體積進(jìn)行計(jì)算。對(duì)比實(shí)測(cè)(聲吶測(cè)腔)容積,體積偏差平均約0.22 %,計(jì)算精度較高(見表2)。

        表1 UGS1 井實(shí)測(cè)體積及折算不溶物含量Tab.1 The survey volume and deduced insoluble content for UGS1

        表2 某鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)溶腔體積計(jì)算值與實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)對(duì)比表Tab.2 The comparison of survey volume and calculated volume for wells in a project

        4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

        (1)溶腔過程中,注入水并不全部參與腔體的溶蝕過程。其中滯留水將留在腔體參與溶解進(jìn)程。而產(chǎn)出水則與井腔內(nèi)的鹵水相混合,最終排出腔體。根據(jù)這一認(rèn)識(shí),依據(jù)物質(zhì)守恒原理優(yōu)化物質(zhì)平衡模型和計(jì)算方法,能夠更加準(zhǔn)確地反映鹽穴溶蝕進(jìn)展,提高溶腔體積的計(jì)算精度。

        (2)由于溶腔過程中始終存在不同程度且不可控制的鹽塊崩落、偏溶及蠕變等現(xiàn)象,不溶物含量無(wú)法精確取值,因此計(jì)算誤差不可避免。但在偏溶或崩落等現(xiàn)象不發(fā)育的情況下,隨著腔體體積的增大,不溶物含量的取值趨于穩(wěn)定,計(jì)算的準(zhǔn)確性會(huì)相應(yīng)提高。

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