石 悅,郭文朋,徐 寧,侯曉璐,趙 媛,杜彩霞

(1.山西能源學(xué)院，山西 太原 030006;2.山西天然氣有限公司，山西 太原 030032;3.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249;4.山西壓縮天然氣集團(tuán)有限公司，山西 太原 030032)

0 引 言

鹽穴儲氣庫是利用地下鹽層或鹽丘建設(shè)的天然氣儲氣庫，具有注采頻次高、工作氣比例高等優(yōu)點(diǎn)，全球地下儲氣庫總工作氣量的9%分布于鹽穴型地下儲氣庫，為天然氣的調(diào)峰保供發(fā)揮重要作用[1]。目前已有報道中，僅江蘇金壇有單井單腔采鹵老腔改建鹽穴儲氣庫的案例，但國內(nèi)外暫無對流井老腔改建地下儲氣庫成功并投產(chǎn)的案例。中國鹽礦開采最早以單井單腔為主，從20世紀(jì)70年代起逐漸使用對流井采鹽，目前鹽礦存在的對流井采鹵老腔體量龐大，僅湖北云應(yīng)、河南平頂山等地就擁有上百個對流井采鹵老腔。由于鹽穴儲氣庫的造腔工程耗時長、投資大[2-3]，往往需要3～5 a才可以形成儲氣腔體，如能將已有對流井采鹵老腔直接改建為鹽穴儲氣庫，則會大大降低工程周期，短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)巨大的儲氣庫規(guī)模，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀[4]。因此，在總結(jié)已有采鹵老腔改建鹽穴儲氣庫經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[5-7]，進(jìn)一步對對流井采鹵老腔改建儲氣庫的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，梳理了相關(guān)技術(shù)要求并提出合理的評價建議，以期對對流井采鹵老腔改建儲氣庫的工程提供指導(dǎo)。

1 對流井采鹵老腔改建鹽穴儲氣庫的基本條件

中國已經(jīng)形成較為成熟的鹽穴儲氣庫造腔工藝技術(shù)，通過調(diào)整界面位置來控制腔體形狀，形成的腔體體積及穩(wěn)定性可以滿足儲氣庫注采氣運(yùn)行，但對于采鹵老腔，其腔體體積、密封性、穩(wěn)定性等條件是否適用于注采氣，需要對已有的腔體進(jìn)行綜合評價[8-10]，且對于對流井采鹵老腔而言，改建地下儲氣庫的基本條件還應(yīng)包括：①地質(zhì)上處于構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)，周邊斷層及裂縫發(fā)育少、規(guī)模小、無活動情況；②鹽巖埋層適中、厚度較大、分布穩(wěn)定、鹽巖體品質(zhì)高；③鹽巖蓋層分布穩(wěn)定、厚度大、巖性致密、孔隙度小、滲透率低；④腔體形態(tài)較為規(guī)則，穩(wěn)定性好，頂?shù)装搴穸取⒌V柱寬度滿足安全要求；⑤鹽腔單腔體積滿足一定要求，總體規(guī)模應(yīng)具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

地下儲氣庫主要分為枯竭油氣藏儲氣庫、鹽穴儲氣庫、含水層儲氣庫、廢棄礦坑儲氣庫4類，不同種類的地下儲氣庫具有不同的地質(zhì)條件要求，但在地面上的要求基本一致：①地理位置上盡可能靠近天然氣輸氣干線和天然氣消費(fèi)市場；②井口與鐵路、公路以及學(xué)校、醫(yī)院、油庫等人口密集區(qū)或高危場所等的距離滿足相關(guān)安全距離要求。

2 對流井采鹵老腔改建鹽穴儲氣庫的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 對流井采鹵老腔密封性測試技術(shù)

對流井采鹵老腔的密封性是改建鹽穴儲氣庫的決定性因素。目前較為成熟的測試方式為使用飽和鹵水進(jìn)行試壓，試壓前根據(jù)鹽腔條件及鹵水?dāng)?shù)據(jù)確定試壓壓力，一般不應(yīng)超過套管鞋所處地層最小主應(yīng)力值的80%，并且還需將其折算為井口處壓力值[11]，如式(1)所示。如無法取得最小主應(yīng)力值，推薦按照經(jīng)驗(yàn)壓力梯度計算，如式(2)所示。

p1=p0×80%-ρgH×10-6

(1)

p2=GH-ρgH×10-6

(2)

式中：p1為通過套管鞋所處地層推算出的最高試壓壓力，MPa；p0為套管鞋所處地層最小主應(yīng)力值，MPa；ρ為飽和鹵水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為腔頂所處地層深度，m；p2為通過經(jīng)驗(yàn)壓力梯度推算出的最高試壓壓力值，MPa；G為經(jīng)驗(yàn)壓力梯度，取0.017 MPa/m。

通常單井單腔的采鹵老腔采用壓力-流量綜合評估法來判斷試壓是否合格，不同礦區(qū)的埋深不同，注水排量、試壓時長、試壓壓力均存在較大差異，因此，僅舉例用于展示變化趨勢，如圖1所示。觀察期間內(nèi)，隨著時間推移，井口壓力會有所下降，需額外注入鹵水以補(bǔ)充漏失量，從而保證壓力穩(wěn)定。如果井口壓力下降幅度和日注水量隨測試次數(shù)的增加而逐漸變小，最終達(dá)到小于變化臨界值并保持穩(wěn)定，則該腔體試壓合格。中國利用該方法篩選的單井腔體全部改造成功，密封性良好。

圖1 腔體壓力-流量密閉性綜合測試曲線Fig.1 The comprehensive test curve of cavity pressure vs flow confinement

對于對流井采鹵老腔，試壓過程中發(fā)生漏失的位置可能發(fā)生在腔體本身、井筒、井口閘門等，尤其是對于采鹽井井筒，設(shè)計之初并未考慮要進(jìn)行儲氣改造，井筒密封性往往較差，所以采用以上標(biāo)準(zhǔn)可能會對符合條件的腔體產(chǎn)生誤判。故提出針對對流井采鹵老腔，將以上評價條件放寬為：觀察期間內(nèi)井口壓力和漏失量的下降幅度經(jīng)過多次測試有明顯的變小趨勢，則可以認(rèn)為該腔體初評合格。

2.2 對流井采鹵老腔穩(wěn)定性分析技術(shù)

腔體的穩(wěn)定性分析是評價腔體運(yùn)行制度的重要方法。主要是利用腔體的形態(tài)模型，利用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行評價。利用已有數(shù)據(jù)建立模型，模型應(yīng)包括鹽腔所在地層中關(guān)鍵地層、腔體、邊界和載荷條件，模型尺寸適中，既能滿足計算效率又能夠邊界效應(yīng)降低到最小，地層物性參數(shù)宜根據(jù)已有室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場監(jiān)測反演結(jié)果進(jìn)行綜合選??；針對影響鹽腔穩(wěn)定性的各項(xiàng)因素，開展不同運(yùn)行制度方案下的模擬計算，根據(jù)模型計算結(jié)果，針對鹽腔拉張應(yīng)力、塑性變形、穿刺泄露、蠕變量、套管鞋應(yīng)變、地面沉降等因素進(jìn)行評價，反映鹽巖、鹽腔和套管鞋的相關(guān)特征，結(jié)合適當(dāng)?shù)呐R界安全值，提出滿足鹽腔穩(wěn)定性要求的運(yùn)行方案和建議[12-14]。

生產(chǎn)實(shí)踐中，單井單腔的腔體形態(tài)主要依靠聲吶測試獲得，聲吶測試后報告包括：腔體深度、各主要水平剖面直徑和圖表、最大水平剖面直徑和圖表、各主要垂直剖面圖表、腔體的體積、腔體的三維圖像等。然而對于對流井采鹵老腔，目前聲吶探頭無法對腔體的水平連通段進(jìn)行形態(tài)檢測，無法直接獲得對流井采鹵老腔的形態(tài)，因此，需要改進(jìn)測試方式。建議通過2口老井2次下入聲吶儀器進(jìn)行測試，分別測得2口老井井下對應(yīng)的腔體形態(tài)，再通過采鹽量數(shù)據(jù)計算模擬中間連通段，結(jié)合測得的2個腔體形態(tài)，模擬獲得對流井采鹵老腔的整體形態(tài)。

2.3 對流井采鹵老腔井筒改造技術(shù)

對流井采鹵老腔起初并未考慮儲氣，經(jīng)過多年的采鹵制鹽，井筒大多密封不嚴(yán)，需對井筒進(jìn)行改造。井筒改造應(yīng)保證腔體、井筒、地層三者間的有效密封，改造后井筒的天然氣注入和采出能力滿足建庫需求[11]。根據(jù)鹽腔、井筒條件，結(jié)合改造要求，從封堵原井筒后鉆新井或套銑原井筒后新套管固封2種方式中選擇適合的井筒改造方式。已有研究表明[15]，對于對流井采鹵老腔可采取封堵原有2口老井，并在通道中間再打1口排鹵新井的改造工藝。新井井型宜采用直井，打穿腔頂，與腔體連通，采用定向井時，生產(chǎn)套管以上垂直井段應(yīng)保證不少于60 m(圖2)。

圖2 對流井采鹵老腔井筒改造示意圖

封堵原井筒并新鉆井作業(yè)過程中宜遵守以下技術(shù)要求：①鍛銑層位至少應(yīng)封隔蓋層及蓋層以上的第1個滲透性地層；②擠注水泥作業(yè)，需分段進(jìn)行，待每一段測試合格后方可進(jìn)行下一鍛銑井段的注水泥作業(yè)，各層套管固井水泥漿均應(yīng)返至地面；③新鉆井應(yīng)滿足最大注采能力、注氣排鹵及周期性注采要求；④生產(chǎn)套管進(jìn)入鹽層垂直深度宜大于15 m；⑤生產(chǎn)套管依據(jù)接觸流體介質(zhì)的腐蝕性能、溫度、壓力等因素優(yōu)選材質(zhì)，生產(chǎn)套管及附件應(yīng)采用氣密封螺紋，附件機(jī)械性能與套管匹配；⑥套管柱強(qiáng)度設(shè)計應(yīng)滿足注采井井筒氣密封性檢測的要求。

2.4 對流井采鹵老腔氣密封測試技術(shù)

對流井采鹵老腔的氣密封測試是改建成功與否的重要評判標(biāo)準(zhǔn)[6,15]。一般使用氮?dú)庾鳛闄z測氣體，檢測期間生產(chǎn)管鞋處所承受的最大壓力為儲氣庫運(yùn)行設(shè)計上限壓力的1.1倍，但小于套管最小內(nèi)屈服壓力的80%。根據(jù)記錄的氣水界面深度、井口氣體壓力和溫度等參數(shù)計算泄漏率：

(3)

式中：ΔQ泄漏為一段時間后氣體泄漏率，m3/h；ΔVcs為套管鞋處鹽腔泄漏的壓縮體積，m3；pcs為套管鞋處鹽腔的壓力，MPa；Tstd為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度，K；Tcs為套管鞋處鹽腔溫度，K；pstd為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的壓力，MPa；Δt為時間，h。

套管鞋處鹽腔泄漏的壓縮體積按照以下公式計算：

(4)

式中：Hi為第i時刻氣水界面深度，m；Hi+1為第i+1時刻氣水界面深度，m；Dwell為鹽腔脖頸處的直徑，m；Dcasing為檢測管柱的外徑，m。

繪制24 h內(nèi)泄漏速率與時間的關(guān)系曲線，根據(jù)泄漏速率與時間的關(guān)系曲線和氣水界面深度變化數(shù)值，對井筒及鹽腔密封性進(jìn)行評價。一般評價標(biāo)準(zhǔn)遵循以下原則：①氣體泄漏速率隨時間逐漸減小，并趨近于零，如圖3所示；②在24 h檢測時間內(nèi)，氣水界面深度變化小于1 m。如檢測結(jié)果同時符合2個原則，表明井筒或鹽腔密封性合格；如檢測結(jié)果不符合原則①，說明井筒或鹽穴密封性不合格；如檢測結(jié)果符合原則①，不符合原則②，應(yīng)延長檢測時間，分析后確定井筒或鹽腔密封性。

圖3 氣體泄漏速率隨時間變化關(guān)系曲線

3 現(xiàn)場應(yīng)用

為驗(yàn)證以上關(guān)鍵技術(shù)的可行性，選取淮安地區(qū)某鹽礦的對流井采鹵老腔進(jìn)行改造(圖4)。鹽礦周邊交通發(fā)達(dá)，為鹽田的開發(fā)提供了有利條件。該鹽礦所處的凹陷先后沉積了胡崗組(K2h)、玉皇頂組(E2y)、大倉房組(E2d)、核桃園組(E2h)、廖莊組(E3l)、上寺組(Nsh)、平原組(Qp)，鹽巖蓋層分布穩(wěn)定，品質(zhì)高。鹽礦位于中—新生代斷陷盆地，是一個呈狹長形展布的斷陷鹽湖盆地，處于構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)，周邊斷層及裂縫發(fā)育少、規(guī)模小、無活動情況發(fā)生。

圖4 國內(nèi)某鹽礦交通位置

選取其中A-B井，該對流井于2007年年底開始采鹵，截至2017年5月，共注水737.5×104m3，采鹵量為678.1×104m3，鹵水質(zhì)量濃度為300 g/L左右，折算采鹽體積為94.2×104m3，平均NaCl含量為55%，估算動用含鹽地層地下空間體積為171.2×104m3。2口井中A井為直井，管柱初始下入深度為1 448 m，造腔過程中進(jìn)行管柱切割作業(yè)，目前管柱位置為1 304 m，管柱共上提144 m；B井為斜井，初始下入垂深約為1 490 m，采鹵過程中斜井段已經(jīng)切割，目前管柱位置為1 272 m，管柱共上提218 m。

為評價該對流井采鹵老腔的密封性，對該對流井采鹵老腔共注水升壓10次，注水井壓力變化為3.258～3.478 MPa，平均壓降為0.001～0.004 MPa/h。雖然觀察期間內(nèi)井口壓力和漏失量的下降幅度經(jīng)過多次測試未能達(dá)到一個穩(wěn)定的水平，但有明顯變小的趨勢，如圖5所示。分析認(rèn)為下降原因可能為注入清水溶鹽造成，該腔體密封性較好，可初步判定滿足改造條件。

圖5 采鹵老腔鹵水試壓曲線

經(jīng)過初評后，該腔體分別進(jìn)行了穩(wěn)定性評價和井筒改造等一系列技術(shù)應(yīng)用。對于腔體的穩(wěn)定性評價技術(shù)仍然沿用單井單腔的評價指標(biāo)，由于設(shè)備所限，目前無法直接測得對流井采鹵老腔的腔體形態(tài)，實(shí)際形態(tài)較難刻畫，在建模過程中進(jìn)行了理想化處理，經(jīng)過穩(wěn)定性評價后，認(rèn)為盡管腔體形狀較為復(fù)雜，但各項(xiàng)指標(biāo)仍然滿足儲氣條件。

為了保證儲層或腔體的密封性，防止儲層天然氣發(fā)生氣竄或沿管外氣竄，將原有2口老井進(jìn)行封堵。具體施工步驟為：測井并在井底套管完好井段或合適位置建立人工井底(封隔器)；鍛銑下部套管200～300 m；注水泥封堵鍛銑井段，候凝；試壓合格后，全井段封堵，候凝；試壓合格后，安裝簡易井口裝置(圖6)，便于檢測井筒內(nèi)壓力變化。新建注氣井井型采用直井井型，該井必須同時滿足注采、造腔和鉆井安全的需要，在鹽穴儲氣庫的建設(shè)中，井眼建成后需要進(jìn)行注采氣生產(chǎn)作業(yè)，注采氣則采用另外一套管柱來滿足防腐和安全注采的需要，綜合考慮目前中國鹽穴儲氣庫建設(shè)現(xiàn)狀及當(dāng)前技術(shù)情況，生產(chǎn)套管尺寸確定為Φ244.5 mm。

圖6 老井封堵作業(yè)方案

在注采完井工程結(jié)束，鹽穴開始首次注氣之前，必須進(jìn)行氣密試驗(yàn)，目的為檢驗(yàn)注采完井下入的注采管柱和排鹵管柱及其上的封隔器等附件的密封性能以及套管鞋處穩(wěn)定性，防止注氣過程中出現(xiàn)管柱泄漏的情況。試壓壓力為氣庫運(yùn)行上限壓力的1.1倍，測試原理圖見圖7。由于該井仍在采鹽生產(chǎn)期，距離儲氣還有相當(dāng)長一段時間，還未進(jìn)行氣密封試壓技術(shù)的應(yīng)用。

圖7 中國某對流井氣密封檢測方案

4 結(jié)論與建議

(1) 對流井采鹵老腔體量龐大，利用其改建地下儲氣庫可快速形成較大工作氣量，經(jīng)濟(jì)效益顯著。影響對流井采鹵老腔改造的關(guān)鍵技術(shù)主要包括密封性測試技術(shù)、穩(wěn)定性評價技術(shù)、井筒改造技術(shù)、氣密封試壓技術(shù)等。

(2) 考慮到注入清水溶鹽過程，建議放寬對流井采鹵老腔的密封性測試評價標(biāo)準(zhǔn)，觀察期間內(nèi)井口壓力和漏失量的下降幅度經(jīng)過多次測試有明顯的變小趨勢，則可以認(rèn)為該腔體初評合格，避免遺漏符合改造條件的腔體。

(3) 對于對流井采鹵老腔，可采取封堵原有2口老井，并在通道中間再打,1口排鹵新井的改造工藝，其中新井井型宜采用直井，采用定向井時，生產(chǎn)套管以上垂直井段應(yīng)保證不少于60 m。

(4) 若氣密封試驗(yàn)顯示氣體泄漏率隨時間逐漸減小，并趨近于零值，且在24 h檢測時間內(nèi)，氣水界面深度變化小于l m，則表明井筒或鹽腔密封性合格。