徐貴春，江永強

(江蘇油田石油工程技術(shù)研究院，江蘇 揚州 225009)

鹽穴儲氣庫是利用地下較厚的鹽層或鹽丘，通過水溶建腔方式形成人工洞穴儲存空間來存儲天然氣。金壇鹽穴儲氣庫建庫地質(zhì)較為復(fù)雜，為多夾層鹽巖，造腔過程中由于夾層中的泥沙、礫石顆粒及鉆井掃塞時殘留的水泥顆粒會沉淀、堆積于管柱底部。當(dāng)正循環(huán)建槽結(jié)束后切換反循環(huán)時，上述顆粒會隨鹵水進(jìn)入管內(nèi)，質(zhì)量小的顆粒可由鹵水?dāng)y帶排出，但較大的顆粒則會沉積在管柱內(nèi)而形成堵管。

文章針對顆粒堵管的現(xiàn)象，開展垂直井筒顆粒沉降規(guī)律分析，確定粒徑大小與鹵水排量關(guān)系，選擇能將進(jìn)入管柱的顆粒攜帶出的最小鹵水排量，為后續(xù)儲氣庫建設(shè)中避免堵管提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 現(xiàn)場堵管情況

金壇鹽穴儲氣庫采用三管柱(生產(chǎn)套管、中間管和中心管)的單井油墊對流法造腔。正循環(huán)造腔時淡水通過中心管注入，溶解鹽巖，鹵水由中心管和中間管的環(huán)空排出；反循環(huán)時，淡水通過環(huán)空注入，鹵水由中心管排出。造腔過程中為避免塊狀鹽巖進(jìn)入中心管造成堵管，采用篩管替代原先含有擋叉的筆尖，篩管孔眼直徑為20 mm，孔眼面積之和大于中心管截面積。多口造腔井堵管主要發(fā)生在正循環(huán)建槽期結(jié)束后切換反循環(huán)時，表現(xiàn)為注水壓力升高，鹵水排量不穩(wěn)定[1]?，F(xiàn)場解堵作業(yè)時，發(fā)現(xiàn)篩管內(nèi)堵滿大粒徑顆粒，篩管以上數(shù)根管柱堵滿細(xì)碎顆粒，如圖1。

圖1 篩管及中心管內(nèi)顆粒堵塞圖Fig.1 The sample of the particles blocked in the sieve tubes and central tubes

分析認(rèn)為顆粒在建槽期沉淀、堆積于篩管周邊，反循環(huán)時隨鹵水進(jìn)入中心管，因粗細(xì)顆粒所需懸浮力不同，產(chǎn)生懸浮分級。當(dāng)返出鹵水排量降低后，顆粒沉降，呈現(xiàn)顆粒粒徑上細(xì)下粗的現(xiàn)象。經(jīng)對不溶物顆粒的清洗、辨識，細(xì)碎顆粒主要為夾層礫石，篩管中的大粒徑顆粒為水泥塊，如圖2。

圖2 篩管內(nèi)殘留水泥塊圖Fig.2 The sample of the remains of the concrete in the sieve tubes

篩管孔眼阻止了大粒徑顆粒進(jìn)入中心管，但進(jìn)入管內(nèi)的顆粒受反循環(huán)時鹵水排量影響，未被完全攜帶至地面。下面通過分析顆粒在管柱內(nèi)的沉降規(guī)律，尋求通過提高反循環(huán)排量實現(xiàn)管柱解堵。

2 顆粒在垂直管柱內(nèi)的沉降規(guī)律

金壇鹽穴儲氣庫造腔井井斜小于1°，可視為垂直井筒。在反循環(huán)造腔排鹵過程中，如果鹵水以小于顆粒沉降速度向上運動時，顆粒將下沉；如果鹵水以大于顆粒沉降速度向上運動時，顆粒將上升；而當(dāng)鹵水以等于顆粒沉降速度向上運動時，顆粒在一個水平上呈擺動狀態(tài)[2]，此時鹵水的速度稱為顆粒的懸浮速度。顆粒的懸浮速度和鹵水的流速是決定中心管堵塞與否的關(guān)鍵。

2.1 球形顆粒的懸浮速度

實際顆粒多為多角形，為研究方便，將其作為球形分析[3-5]。假設(shè)質(zhì)地均勻、光滑的球形顆粒的密度為ρs、直徑為ds，鹵水密度為ρl、粘度為μl，顆粒在鹵水中的沉降力為：

(1)

顆粒在鹵水中沉降所受阻力為：

(2)

式中：νs為顆粒沉降速度，CD為阻力系數(shù)。

處于懸浮狀態(tài)的顆粒所受沉降力等于阻力，由式(1)和式(2)可求得顆粒懸浮速度ν0：

(3)

但是，式(3)不能用于實際顆粒的懸浮速度計算，因為：

即CD為顆粒雷諾數(shù)Re的單值函數(shù)，用分區(qū)懸浮速度公式，可以求得用于實際計算的公式。

(1)層流區(qū)

將CD和Re數(shù)值代入(3)式，得：

(4)

式(4)還是無法應(yīng)用，因為不能判定Re≤1，由

(5)

因為在層流區(qū)，Re≤1，代入式(5)，得：

(6)

因此，當(dāng)粒徑范圍滿足式(6)時，顆粒懸浮所處流場為層流狀態(tài)，可用式(4)計算顆粒懸浮速度。

(2)過渡區(qū)

可求不等式：

(7)

此粒徑范圍內(nèi)的顆粒懸浮速度計算式為：

(8)

(3)紊流區(qū)

500

求得不等式：

(9)

對應(yīng)粒徑的顆粒懸浮速度計算式為：

(10)

2.2 不規(guī)則顆粒的懸浮速度

以上討論了球形顆粒的懸浮速度，但由于實際顆粒形狀不規(guī)則、表面粗糙，在鹵水中的阻力系數(shù)比球形顆粒大，同等質(zhì)量的顆粒，球形顆粒懸浮速度最大。因此，要利用前面已求得的球形顆粒的懸浮速度計算公式，必須把不規(guī)則顆粒換算成當(dāng)量球體。所以，在球形顆粒懸浮速度公式中引入形狀修正系數(shù)，球形顆粒的直徑用不規(guī)則顆粒的等效直徑來替代，即：

νs0=kν0

(11)

式中：νs0為不規(guī)則顆粒的懸浮速度，不規(guī)則顆粒的形狀修正系數(shù)k[7-8]如表1所示。

表1 不規(guī)則顆粒的形狀修正系數(shù)表Tab.1 Table of shape correction coefficient of irregular particles

2.3 鹵水?dāng)y帶顆粒的臨界流速

鹵水在中心管內(nèi)向上流動時，由于管壁粘滯阻力的作用，鹵水在徑向上存在速度的差異，且速度場還受流體流態(tài)的影響。層流時，鹵水的斷面流速呈拋物線分布，最大流速是平均流速的2倍；紊流時，斷面流速分布與Re有關(guān)，尚不能利用理論推導(dǎo)獲得。另外，由于顆粒的形狀的不規(guī)則性等因素的影響，實際顆粒在流體中的運動絕非簡單地沿著某固定位置垂直運動，其所在位置以及所居點處的流體真實速度隨機性很大，因此用純理論方法直接計算管內(nèi)鹵水?dāng)y帶顆粒的速度極為困難，甚至無法做到，只能借用實驗手段，利用統(tǒng)計分析和理論計算相結(jié)合的方法來確定不規(guī)則顆粒在鹵水中的沉降速度[8-10]：

(12)

3 鹵水排量的計算與選擇

根據(jù)作業(yè)時對堵管顆粒的類型及大小的辨識，造成中心管堵塞的主要原因是大塊水泥顆粒無法被鹵水?dāng)y帶至地面。因此，只要確保鹵水?dāng)y帶水泥顆粒的臨界速度大于水泥顆粒的懸浮速度就可避免堵管。

金壇鹽穴儲氣庫建槽期結(jié)束后從正循環(huán)倒反循環(huán)后鹵水平均密度ρl=1.20×103kg/m3，粘度μl=1.35 mPa·s，測得水泥結(jié)石顆粒密度ρs=1.50×103kg/m3，中心管內(nèi)截面A=7.935×10-3m2，形狀修正系數(shù)近似取0.75。根據(jù)粒徑范圍公式及懸浮速度公式，鹵水排量Q在20 m3/h～100 m3/h范圍內(nèi)，顆粒懸浮速度的流場為過渡區(qū)。計算顆粒在不同鹵水排量下處于懸浮狀態(tài)時的當(dāng)量直徑如表2。

表2 不同鹵水排量下顆粒懸浮速度、當(dāng)量直徑計算表Tab.2 Calculating table for the particle suspension velocity and the equivalent diameter in different brine displacements

因中心管底部篩管孔眼直徑為20 mm，能夠進(jìn)入管內(nèi)的顆粒當(dāng)量直徑≤20 mm。由表2可知，當(dāng)鹵水排量達(dá)到60 m3/h時，即可將進(jìn)入中心管內(nèi)的最大顆粒攜帶至地面，而鹵水排量<60 m3/h時，可能會發(fā)生堵管。

4 防堵管措施及效果

造腔井建槽期結(jié)束，調(diào)整至反循環(huán)時，可以先提高鹵水排量，使能經(jīng)篩孔進(jìn)入中心管內(nèi)的顆粒被鹵水?dāng)y帶至地面后，再將鹵水排量調(diào)至規(guī)定值。金壇儲氣庫造腔過程造成堵管的主要原因是水泥大顆粒，結(jié)合文章的計算結(jié)果，反循環(huán)時鹵水排量達(dá)到60 m3/h時，經(jīng)20 mm篩孔進(jìn)入中心管內(nèi)的顆粒將被攜帶至地面。另外，也可根據(jù)設(shè)計的反循環(huán)鹵水排量，計算該排量下最大可攜帶顆粒的當(dāng)量直徑，以此來確定篩管孔眼尺寸及數(shù)量，這樣在能確保進(jìn)入管柱內(nèi)的顆粒均能被鹵水?dāng)y帶至地面。

金壇鹽穴儲氣庫多口井在建槽期結(jié)束后，將鹵水排量調(diào)至35 m3/h進(jìn)行反循環(huán)造腔，不久就發(fā)現(xiàn)有堵管現(xiàn)象。通過要求提高注入淡水的壓力和排量，將返出鹵水排量升至60 m3/h～70 m3/h之間，生產(chǎn)數(shù)日后，再將鹵水排量回調(diào)至35 m3/h，均能正常生產(chǎn)，未見堵管。通過實踐，說明提高鹵水排量可將篩管附近沉淀、堆積的顆粒攜帶出來。

5 結(jié)論與認(rèn)識

1)造腔井堵管主要發(fā)生建槽期結(jié)束后，正反循環(huán)方式切換時，此時腔體小，腔底提升快，篩管周邊有顆粒堆積。

2)造成堵管的主要原因是顆粒進(jìn)入管柱而未被鹵水帶出，造成沉淀，堵塞段顆粒粒徑表現(xiàn)為上細(xì)下粗，最下端為多角形水泥塊大顆粒。

3)使用不溶物顆粒粒徑范圍替代雷諾數(shù)判斷顆粒沉降所屬沉降區(qū)，計算顆粒懸浮速度，可使計算更簡單。

4)利用顆粒懸浮速度與鹵水平均流速的關(guān)系，可計算不同鹵水排量下最大攜帶顆粒粒徑，為解決鹽穴儲氣庫造腔過程中堵管問題提供理論參考。