于鵬亮

（北京普瑞浩特能源科技有限公司，北京 100012）

氣密封測(cè)試旨在評(píng)價(jià)鹽穴儲(chǔ)氣庫的密封性能。鹽穴儲(chǔ)氣庫建造完成后必須進(jìn)行氣密封測(cè)試，以便判斷鹽穴儲(chǔ)氣庫是否具備儲(chǔ)氣條件，同時(shí)確定其最終儲(chǔ)氣能力[1]。世界范圍內(nèi)普遍采用性能穩(wěn)定的氮?dú)庾鳛闄z測(cè)介質(zhì)，以便安全、有效地模擬極限條件下的天然氣的泄漏情況[2]。若腔體狀態(tài)完好，在采用氮?dú)庾鳛闄z測(cè)介質(zhì)時(shí)，氣液界面處的注水壓力與氮?dú)鈮毫κ冀K保持平衡狀態(tài)。據(jù)此，可以對(duì)氣密封測(cè)試過程中的主要參數(shù)[3]進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化（見圖1、圖2）。

圖1 氣密封測(cè)試原理圖Fig.1 The testing schematic for gas tightness test

1 平衡方程

假設(shè)腔體狀態(tài)完好，則在氣密封測(cè)試過程中，腔體所承受的壓力始終遠(yuǎn)小于地層破裂壓力，因而腔體在此過程中只發(fā)生彈性變形和蠕變兩種形變[4]。

而在注入鹵水過程中，套管鞋處的壓力：

式中：Pb-井口預(yù)升壓鹵水壓力，MPa；ρb-預(yù)升壓所用鹵水密度，kg/m3；Hcs-套管鞋深度，m。

而在注氣過程中，要使氮?dú)馓鎿Q鹵水占據(jù)位置，則氣液界面處氣、液壓力必須達(dá)到平衡，因此有：

式中：h-界面深度，m；PN2-井口氮?dú)鈮毫?，MPa；ρˉN2-氮?dú)庵钠骄芏?，kg/m3。

其中：

圖2 氣密封過程中鹽腔形變示意圖Fig.2 The simple diagram of deformation for cavern during the gas tightness test

2 主要參數(shù)設(shè)計(jì)方法

2.1 井口鹵水壓力

日常操作時(shí)，套管鞋處的許用壓力，稱之為最大操作壓力或MOP[5-7]。最大操作壓力與地層的破裂壓力梯度和許用系數(shù)有關(guān)：

式中：α-許用系數(shù)，通常取0.8～0.85；Gpa-地層破裂壓力梯度，MPa/m；Hcs-套管鞋深度，m。

理想情況下，應(yīng)泵注鹵水使套管鞋處的壓力等于MOP，并使測(cè)試過程中套管鞋處的壓力保持在MOP 的1～1.2 倍之間。設(shè)計(jì)時(shí)，可取：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鹵水密度聯(lián)立方程，即可求得合理的井口鹵水壓力設(shè)計(jì)值。

2.2 注入鹵水體積

不考慮測(cè)試過程中鹽腔繼續(xù)發(fā)生溶解作用，設(shè)：ΔP-增壓幅度，MPa；V0-鹽腔初始體積，m3；ΔV-預(yù)升壓鹵水的注入體積，m3；ΔVc-蠕變?cè)斐傻拈]合量，m3；ΔVe-升壓過程中彈性變形導(dǎo)致的體積增量，m3。則有：

其中：

式中：ε-鹽腔的閉合速率，d，可通過對(duì)比二次聲吶測(cè)試間腔體不溶部分的體積變化量進(jìn)行計(jì)算；t-聲吶測(cè)試結(jié)束至完成鹵水加注所需的時(shí)間，d；K-巖鹽的體積模量，其與彈性模量、泊松比存在如下關(guān)系：

式中：E-巖鹽彈性模量，MPa；μ-巖鹽泊松比，無量綱。則有：

2.3 注氣量

根據(jù)平衡方程，先求得注氣完成后的氣液界面位置h。

根據(jù)氣液界面位置，依據(jù)腔頸聲吶測(cè)試數(shù)據(jù)，確定氮?dú)庵俭w積Vh，并依據(jù)氣體狀態(tài)方程求得地面注氣量。

式中：ZN2-井下平均壓力條件下的氮?dú)鈮嚎s系數(shù)，無量綱。

注氣完成后，氮?dú)馀c地層、鹵水間發(fā)生熱交換并漸趨穩(wěn)定。過程中，井筒中的氮?dú)獍l(fā)生熱膨脹，其所占據(jù)的體積相應(yīng)增加，氣液界面隨之下降。同樣可依氣體狀態(tài)方程，求得熱穩(wěn)定后氮?dú)庵俭w積，及與之對(duì)應(yīng)的氣液界面位置h'。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

某鹽穴儲(chǔ)氣庫群二期共建成地下鹽穴儲(chǔ)氣庫井4口，套管鞋位置均為1 120 m，地層破裂壓力梯度為2.064×10-2MPa/m，操作壓力安全系數(shù)取0.85，各腔的平均閉合速率約為2.560×10-4/d，聲吶測(cè)試結(jié)束至完成鹵水加注時(shí)間通常為10 d，巖鹽平均彈性模量為2.823×104MPa，泊松比為0.31，其氣密封測(cè)試設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)對(duì)比（見表1）。從表1 統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看：對(duì)于腔體完好的鹽穴儲(chǔ)氣庫井，該方法設(shè)計(jì)誤差相對(duì)較小。而若腔體存在缺陷，氣液界面處的平衡狀態(tài)被打破，則設(shè)計(jì)誤差相對(duì)較大。但總體而言，該方法能夠較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際測(cè)試情況[8，9]。

表1 某鹽穴儲(chǔ)氣庫氣密封測(cè)試參數(shù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比表Tab.1 Comparison of the design and actual parameters for the caverns in a UGS project

4 認(rèn)識(shí)與建議

（1）該設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單易行，能夠較為準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，節(jié)約測(cè)試準(zhǔn)備時(shí)間和成本。

（2）實(shí)際測(cè)試過程中，由于鹽穴儲(chǔ)氣庫可能存在固井質(zhì)量、裂隙、氣層等各種缺陷或問題，因而各主要參數(shù)應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行保守或冗余設(shè)計(jì)，以便為測(cè)試過程留出足夠的調(diào)整余地。

（3）為提高計(jì)算精度，設(shè)計(jì)中可參考機(jī)械完整性測(cè)試或同工區(qū)其他井氣密封測(cè)試的壓力、溫度等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。