多夾層鹽穴儲氣庫造腔技術問題及對策

徐孜俊班凡生

（1. 中鹽金壇鹽化有限責任公司，江蘇 金壇 213200；2. 中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京 100195）

多夾層鹽穴儲氣庫造腔技術問題及對策

徐孜俊1班凡生2

（1. 中鹽金壇鹽化有限責任公司，江蘇 金壇 213200；2. 中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京 100195）

我國江蘇金壇等地鹽穴儲氣庫為層狀鹽層建庫，鹽層間含夾層，鹽層不溶物含量高，與國外鹽丘建庫相比，鹽穴儲氣庫造腔速度慢，腔體形態難控制。文中首先分析了我國層狀鹽層溶腔過程中存在的技術難題；結合金壇鹽穴儲氣庫建庫層狀鹽層特征，從造腔井型、腔體控制、管柱優選等方面提出了層狀鹽層溶腔配套工藝技術；分析了循環方式、管柱提升次數、注水排量等對溶腔的影響規律，最終提出了層狀鹽層溶腔的工藝參數方案。

儲氣庫 鹽穴 金壇 水溶造腔

我國鹽穴儲氣庫為層狀鹽層建庫[1-2]，鹽層不溶物含量高（15%～40%），建庫鹽層薄（約150 m），夾層多且厚（3～11 m）。與國外鹽丘建庫相比[3-4]，鹽穴儲氣庫造腔速度慢，建造200 000 m3的腔體約需4～5年；腔體形態控制難，多形成葫蘆狀不規則的腔體。

江蘇金壇是我國建設的第一個鹽穴儲氣庫，整個建庫工區巖鹽層埋深適中，頂部埋深800～950 m，底部埋深930～1 110 m，巖鹽層厚度140～200 m，平均巖鹽層厚度150 m，平均不溶物含量約為16%。巖鹽層中夾層總厚度在20 m以內，占總巖鹽層厚度的11%左右。

本文結合金壇鹽穴儲氣庫建庫鹽層特征，結合金壇鹽穴儲氣庫建庫層狀鹽層特征，從造腔井型、腔體控制、管柱優選等方面提出了層狀鹽層溶腔配套工藝技術；分析了循環方式、管柱提升次數、注水排量等對溶腔的影響規律，最終提出了層狀鹽層溶腔的工藝參數方案。

1 造腔技術問題

1.1 造腔速度慢

鹽穴儲氣庫水溶造腔過程中，夾層的存在延緩了腔體內流體的輸運對流擴散過程，導致溶腔的流體不能充分的交換。而采鹽過程是溶腔內的鹽水通過循環管柱與外界的淡水之間進行物質交換，夾層的存在降低了采鹽的速度，從而增加了鹽穴儲氣庫建腔的時間。

以國內A1井為例，地層埋深1 000～1 400 m，不溶物含量15%，夾層厚度2 m，若鹽層中沒有夾層時，造腔720天后，溶腔體積255 000 m3，平均采鹽速度15.54 m3/h；若鹽層中有3個夾層時溶腔體積178 000 m3，平均采鹽速度10.54 m3/h。可見，夾層的數量越大，溶腔的體積越小，平均采鹽速度也越小，夾層減小了鹽穴儲氣庫的造腔速度，加長了鹽穴儲氣庫的建腔周期，見圖1、2。

圖1 不同夾層數量造腔腔體體積

圖2 不同夾層數量造腔采鹽速度

1.2 腔體形態控制難

腔體的穩定性不僅取決于地質構造特征和地層屬性，而且與溶腔幾何形狀的穩定性有關，根據國外的建庫經驗，腔體形狀采用上大下小的梨形符合穩定性的要求。由圖3可以看出，夾層對鹽穴儲氣庫水溶建腔腔體的形態影響很大。無夾層時，溶腔的邊界連續性好，形狀為倒梨形，腔體穩定性好；夾層數目增多時，溶腔邊界出現不規則，腔體的形狀為圓柱形，腔體穩定性差。數值模擬研究結果表明，腔體溶蝕過程中，夾層的存在，破壞了溶腔邊界的連續性，不利于建腔和腔體形態控制。可見，鹽巖層中多夾層的存在，影響鹽穴儲氣庫水溶建腔形態的發展變化，夾層越少溶腔形態越規則，越容易控制腔體的形狀。

另外，不同的夾層由于其組成不同，其抗拉強度和抗剪強度也不同，較小的抗拉強度或抗剪強度容易斷裂。通過對多夾層的力學分析，夾層尺寸的大小影響夾層的斷裂和垮塌，較薄的夾層容易斷裂，鹽穴儲氣庫水溶造腔過程中腔體的形態就容易控制。因此，鹽穴儲氣庫的建設最好選擇在無夾層的鹽層中進行，次之，也應該選擇夾層盡可能少并且夾層厚度較小的地層。

圖3 夾層數目不同時溶腔形態

2 造腔工藝技術

2.1 造腔井型的確定

建造的鹽穴儲庫采用的井型主要有單井單腔、單井雙腔、雙井單腔等3種形式。金壇鹽穴儲氣庫造腔采用單井單腔的形式，即鉆一口直井造一個溶腔，雖然周期相對長一些，但具有成本低和安全性高等特點。其他2種形式雖然是可行的，造腔效率相對也高，但均存在腔體形狀控制困難、頂板保護困難、安全性低和投資大等問題。

2.2 腔體形態控制方法

鹽穴儲氣庫造腔施工過程中，形狀的控制主要通過自下而上逐層溶漓法、自上而下逐層溶漓法、綜合溶漓法等3種方式，其中綜合溶漓法是綜合應用自下而上逐層溶漓法、自上而下逐層溶漓法2種方法，達到形狀控制的目的。

金壇鹽穴儲氣庫采用自下而上溶漓的方法控制腔體形態，溶腔過程中，為保持溶腔形態需定期移動中間管或中心管相對位置（見圖4），需經常活動下部中心管，以避免管柱堵塞。溶腔過程中，采用油墊法控制腔體快速上溶，保護頂板。聲納法檢測腔體形態，聲納測腔結果可作為下步造腔方案調整的依據，聲納測腔次數6～9次，如遇造腔情況復雜，聲納測腔次數可適當增加。

圖4 單井對流法水溶建腔

2.3 造腔管柱優選

如圖5所示，采鹵管柱沿程循環壓力損耗受排量影響很大，隨著排量的增大，壓力損耗成級數增長，而排量又決定于建腔周期、循環泵的工作壓力等，因此，在選擇采鹵管柱直徑時，必須綜合考慮建庫對周期的要求、地面泵的工作負荷、采鹵管的工作狀況和市場供應狀況，以期達到最優的組合。

為了獲得大排量、低泵壓和采出鹵水濃度高的造腔工藝要求，同時也擬與95/8" 生產套管相配的，并且結合中國常用管材的實際情況，金壇鹽穴儲氣庫造腔管柱組合為“7"中間管+41/2"中心管”。

我國金壇等地已普遍應用此管柱組合造腔，不僅具有正、反循環造腔都較合理的特點，同時還具有以下優點：（1）中心管直徑大，有利于大排量注水采鹵，縮短建腔周期；（2）相同排量下，大直徑管內壓力較小，由此引起的水擊及振動現象大大降低，有利于提高管柱壽命，降低事故風險；（3）2管柱間隙較大，有利于造腔內管和造腔外管的起下作業。

圖5 不同管柱組合循環泵壓

3 造腔工藝參數優化

3.1 循環方式的確定

在鹽穴儲氣庫腔體溶蝕過程，循環方式對溶腔形狀有影響，正循環方式可獲得柱形腔體，該形狀發生底溶的接觸面占主要，溶蝕速度低；反循環溶腔獲得腔體形狀為上大下小的倒梨形，該形狀發生上溶的接觸面占主要，溶蝕速度快。因此，溶腔的初期即建槽階段采用正循環，保證溶腔底部有足夠的空間存放殘渣，可防止殘渣堵塞管道；溶腔中后期，采用反循環為主的溶腔方式，以提高溶腔速度。

3.2 注水排量

鹽穴儲氣庫溶腔注水排量的設計需要綜合考慮返出鹵水濃度、地面注水泵壓2方面要求，同時在建腔周期和時間上要滿足建庫要求。以金壇A1井為例，建槽期平均注水排量60 m3/h，建槽周期216天，腔體有效體積19 124.2 m3，平均返出鹵水質量濃度230 g/L左右，溶蝕速度較快。金壇儲氣庫正循環建槽時，一般情況下排量應控制在30～60 m3/h，不僅在建槽期返出鹵水質量濃度較高，而且腔體形態發展較穩定，腔體抬升慢，且底部鹽層溶蝕充分；溶腔中后期，采用反循環方式，注水排量控制在80～100 m3/h，提高中后期的溶腔速度。

3.3 管柱提升次數

鹽穴儲氣庫水溶建腔過程中，隨著殘渣物高度的增加，中心管的位置要逐漸提升，另外為了保證形成形狀規則的腔體形態，中間管及中心管的位置需不斷提升。金壇鹽穴儲氣庫建槽期造腔管柱提升1～2次，整個溶腔過程中造腔管柱提升6～9次，遇到鹽層復雜的情況，管柱提升次數相應增加。

4 結論

（1）金壇鹽穴儲氣庫造腔采用的單井單腔井型，形狀的控制主要通過自下而上逐層溶漓法，造腔管柱組合為“7"中間管+41/2"中心管”。

（2）鹽穴儲氣庫建槽期，注水排量為30～60 m3/h，用正循環方式；溶腔中后期，注水排量控制在80～100 m3/h，采用反循環為主的溶腔方式。

（3）鹽穴儲氣庫建槽期造腔管柱提升1～2次，整個造腔階段造腔管柱提升次數一般為6～9次，遇到鹽層復雜的情況，管柱提升次數相應增加。

[1] 鄭雅麗,趙艷杰.鹽穴儲氣庫國內外發展概況[J]. 油氣儲運,2010,29(9)：652-655,663.

[2] Guangjie Y, Shen R,Tian Z, et al. Review of underground gas storage in the bedded salt deposit in China [C]// SPE Gas Technology Symposium,Canada,2006.

[3] Patrick de Laguérie , Jean-Luc Cambon. Development of new liquid storage caverns at GEOSEL MANOSQUE [C] // SMRI Spring 2010, Leipzig, 2010.

[4] Fritz Wilke ,Miriam Oberm?ller, et al. Solution mining with two boreholes for gas storage in zuidwending, the Netherlands [C] // SMRI Spring 2011, York, 2011.

Engineering Technology Difficulties and Countermeasures of Solution Mining of Multi-interlayer Rock Salt Gas Storage

XU Zi-jun1BAN Fan-sheng2
(1.China Salt Jintan Co., Ltd., Jintan 213200, China; 2. CNPC Drilling Research Institute, Beijing 100195, China)

Gas storage in salt caverns was constructed in bedded salt layers with multilaminated in some places of China such as Jiangsu Jintan. There were interlayer between two salt layers. Contrast to salt dome in foreign country, solution speed of mining was slow and cavern shape controlling was difficult. In the paper, mining solution engineering technology difficulties of multi-interlayer rock salt gas storage were analysed. Mining solution process technology were put forward from well type, cavity controlling and tubing optimization. Mining solution technology parameters such as circulation mode and pipe lifting times and displacement were optimized.

gas storage; salt cavern; Jintan; solution mining

徐孜俊（1977-），男，江蘇金壇人，碩士，工程師，主要從事鹽礦采鹵造腔技術及鹽穴綜合利用研究。