反循環(huán)造腔技術(shù)在鹽穴儲庫建腔中的應(yīng)用探討

摘 要：為加快鹽穴儲庫造腔進度，節(jié)約建腔成本，在建槽前期采用正循環(huán)獲得一定不溶物底坑之后采用反循環(huán)方式進行造腔。在反循環(huán)造腔過程中，通過調(diào)整造腔管柱下深、墊層位置、注水量等參數(shù)對腔體形態(tài)進行控制，在確保腔體形態(tài)的基礎(chǔ)上加快造腔進度。經(jīng)過現(xiàn)場實踐，反循環(huán)造腔技術(shù)在鹽穴儲庫造腔中是可行的，滿足現(xiàn)場造腔要求。

關(guān)鍵詞：反循環(huán)造腔；造腔參數(shù)；造腔形態(tài)

1 概述

鹽穴儲庫是當今國際能源儲備和核廢料處理的重要手段。

地下鹽穴儲氣庫的建立，對天然氣的儲存尤為重要，因為天然氣是一種可燃的氣體，一旦處理不當，極易發(fā)生危險。將地下儲氣庫建于地下鹽巖之中，基于這樣一個最普通的現(xiàn)象：鹽溶于水。具體過程為：在打成的鹽井中，注入水形成鹽鹵，再將其抽出，不斷注水，不斷抽出，形成循環(huán)，逐漸形成地下溶洞，并用以儲氣。

地下儲氣庫的建立，說起來簡單，做起來并非易事。

鹽穴儲庫造腔的注水循環(huán)方式有正循環(huán)和反循環(huán)兩種，因注水水動力和濃度場分異的影響，兩種循環(huán)方式在建腔速度和成本及腔體形狀上均有差異：正循環(huán)鹵水濃度低，建腔速度慢，建腔成本高，但腔體形狀易控制；反循環(huán)鹵水濃度高，建腔速度快，建腔成本低，但腔體形態(tài)不易控制。文章著重研究反循環(huán)方式造腔的可行性，對加快鹽穴儲庫造腔進度，提高造腔效率具有重要的意義。

2 反循環(huán)造腔方式

鹽穴儲氣庫造腔過程是一個流體動力學、化學動力學、熱動力學共同作用的結(jié)果，其實質(zhì)是依靠腔體內(nèi)鹵水之間的濃度差實現(xiàn)濃度交換，直到各鹵水層之間達到動態(tài)平衡[1-2]。

造腔過程中，腔體內(nèi)的鹵水濃度從上到下由低到高分布[3]。采用反循環(huán)方式，淡水出口接近造腔頂部，對腔體上部進行充分的溶解，溶解出的低濃度鹵水可以通過濃度差和重力的作用以出口為中心向底部和四周傳播實現(xiàn)濃度之間的交換，傳播速度快，所以腔體頂部和側(cè)面的溶蝕較快，且排出的鹵水濃度高；采用正循環(huán)方式溶腔，淡水出口接近腔體底部，可以對溶腔底部進行充分溶解，高濃度鹵水向上部低濃度鹵水層傳播速度慢，從而導致正循環(huán)溶腔溶蝕速度慢，排出的鹵水濃度較低[4-7]。

正、反循環(huán)注水方式和腔體內(nèi)濃度場分布決定了正反循環(huán)造腔形態(tài)的不同。在實際造腔過程中，由于腔體頂部采用墊層保護防止腔體上溶，受墊層影響，正循環(huán)易形成上部小，下部體積大的腔體，最大直徑位于中間管和中心管之間，而反循環(huán)方式易形成上部大，下部小的錐形，最大直徑通常位于墊層位置附近，造腔過程中典型的正反循環(huán)腔體形態(tài)如圖1所示。

3 造腔基本情況介紹

為探尋反循環(huán)造腔技術(shù)在儲庫造腔中的可行性，選取江蘇某地區(qū)1#井和2#井進行現(xiàn)場試驗。擬通過在建槽期、建腔中期和建腔后期采用反循環(huán)方式進行造腔，驗證反循環(huán)的可行性。

3.1 地質(zhì)條件

1#井和2#井位于江蘇某地區(qū)JT盆地ZXQ凹陷南部，含鹽系分布于阜寧組四段。兩口井含鹽層基本情況如表1所示，含鹽段深度接近，鹽層厚度分別為176.5m、162.6m，鹽巖層中含有泥質(zhì)夾層，泥巖總層厚度占巖層厚度分別為11.5%、11%，總不溶物含量分別為12%、12.4%。從造腔地質(zhì)條件看，兩口井鹽層和泥巖層均未出現(xiàn)層位缺失現(xiàn)象，造腔過程中具有較強的可比性。

3.2 造腔管柱方案

為便于研究，兩口井均為單井單腔，采用95/8\"×7\"×41/2\"的管柱組合進行采鹵造腔。95/8\"-7\"管柱環(huán)空注入柴油形成墊層控制腔體頂部巖層的溶蝕，通過調(diào)整墊層上移位置來控制頂部巖層的溶蝕速度，以此來控制腔體的形態(tài)。41/2\"和7\"-41/2\"環(huán)空形成輸送通道，根據(jù)循環(huán)方式的不同，分別輸送淡水和鹵水。

3.3 注水方式

2口井淡水均由同一注水系統(tǒng)提供，注水壓力0-5Mpa。井口注水壓力和流量受井底壓力、注水管柱損耗和閥門開度等條件影響，略有不同。

3.4 造腔結(jié)果

為便于描述，根據(jù)測腔次數(shù)，將1#、2#井造腔分成若干階段。1#井進行了4次測腔，對應(yīng)3個階段，其中第1次為建槽期，第2、3次為造腔中期，第4次為造腔后期。2#井進行了5次測腔，其中第1次為建槽期，第2、3、4次為造腔中期，第5次為造腔后期。測腔結(jié)果如圖2所示。

4 建槽期反循環(huán)的應(yīng)用

根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，建槽期采用正循環(huán)造腔，通過墊層控制造腔段高度，腔體體積達到設(shè)計總體積的10%左右結(jié)束建槽期建設(shè)。

1#、2#井設(shè)計體積為18萬方左右，建槽期體積約2萬方左右。根據(jù)正反循環(huán)造腔特點，為探尋反循環(huán)造腔控制技術(shù)，1#井建槽初期進行正循環(huán)造腔，當造腔體積達到約8500m3時進行反循環(huán)造腔。2#井一直采用正循環(huán)方式進行造腔至建槽期結(jié)束。以下是2口井在建槽期的對比情況：

4.1 造腔參數(shù)及測腔結(jié)果

1#井造腔中間管和中心管兩口距28.9m，造腔時間共241天，首先采用正循環(huán)方式造腔108天，之后反循環(huán)造腔131天，平均淡水注入量為32m3/h，2#井造腔中間管和中心管兩口距28m，一直采用正循環(huán)方式造腔220天，平均淡水注入量為48m3/h。測腔結(jié)果如表2所示。

4.2 造腔速度

根據(jù)測腔體積，1#井造腔時間為241天，平均每天造腔量為94m3/d，2#井的平均造腔量為109m3/d，是1#井的1.16倍，但注水量卻是1#井的1.5倍。

1#井采用反循環(huán)造腔131天，由于造腔中途改用反循環(huán)，腔體體積難以測量，采用采出鹽量折算腔體體積的方法就行估算。1#井平均每天采鹽量為227.45t，折算成造腔體積為104m3/天，所需淡水量為768m3；2#井平均每天采鹽量為258t，折算成體積為120m3/天，所需淡水量1152m3。

1#井采用反循環(huán)后造1m3腔體所需淡水量為7m3，2#井采用正循環(huán)造1m3腔體所需水量為10m3。由此可以看出，在相同注水條件下，反循環(huán)造腔的速度要高于正循環(huán)，節(jié)約淡水用量和注水能耗，縮短了造腔建設(shè)周期，節(jié)約投資。

4.3 造腔腔體形態(tài)

由圖1、2中可以看出，建槽期正反循環(huán)造腔獲得的腔體形態(tài)均可描述為上部圓臺、下部圓錐的結(jié)構(gòu)。反循環(huán)腔體直徑隨深度變化較大，頂部直徑最大而底部直徑接近0m，正循環(huán)腔體在接近溶腔中部的位置直徑最大，直徑隨深度的變化比較平緩，未出現(xiàn)類似于1#井尖錐形態(tài)。

第2次測腔，1#、2#井腔體體積分別為58994m3、60355m3。由于兩口井管柱下深和墊層位置不一致，1#井造腔段高度為42m，不溶物體積約14000m3，由圖2中可以看出腔體抬升明顯，抬升高度為15m，底部圓錐部分已經(jīng)完全埋沒。而2#井造腔段為30m，不溶物體積只有3000m3左右，腔體底部未發(fā)生明顯抬升。

2#井在第3次測腔，造腔高度為44m，不溶物體積達到13000m3，與1#井第2次不溶物體積相當，而2#井腔體底部抬升只有10m左右，腔體底部空間利用率高。

由此可以看出，在兩口距30m左右的情況下，建槽期在正循環(huán)腔體足夠大的情況下可采用反循環(huán)方式，要提前采用反循環(huán)方式造腔，需要減小兩口距。

5 建腔中期反循環(huán)的應(yīng)用

建腔中期，為加快造腔進度，提高造腔效率，采用反循環(huán)造腔方式。在造腔過程中通過調(diào)整中間管和中心管下深，配合調(diào)整墊層進行腔體形態(tài)控制。此種造腔方式，中間管位于階段造腔腔體最大直徑位置，管柱調(diào)整為主要控制手段，調(diào)整次數(shù)多（3-4次），每次造腔時間為150天左右，墊層調(diào)整為輔。

JT儲庫在建腔中期造腔過程中雖然仍采用反循環(huán)方式，但采用的是以墊層調(diào)整為主，管柱調(diào)整為輔的新型的造腔模式。墊層距離中間管管口2-40m，中間管下深至腔體頂部附近，中心管下到腔的中下部。在造腔過程中適時調(diào)整墊層位置以控制泥質(zhì)夾層垮塌時機和腔體形態(tài)。采用此種造腔方式，管柱調(diào)整次數(shù)降低至2-3次，根據(jù)巖層地質(zhì)情況確定墊層調(diào)整次數(shù)和調(diào)整時機，這樣降低了造腔過程中的施工次數(shù)和施工周期，增加了造腔有效時間，加快了造腔進度。同時，反循環(huán)提高了鹵水濃度，致使造腔效率大幅度提高。圖2是兩口井歷次測腔結(jié)果圖，腔體形態(tài)完全符合設(shè)計要求并優(yōu)于設(shè)計。

6 建腔后期反循環(huán)收口

根據(jù)反循環(huán)對腔體形態(tài)的發(fā)展特征和墊層調(diào)整對腔體形態(tài)的控制，結(jié)合兩井的地質(zhì)特征，建腔后期收口依然采用反循環(huán)方式，所不同的是需要控制中間管與腔頂?shù)木嚯x和墊層距中間管管口距離，同時中心管下到腔底，控制注水流量，適當增加正循環(huán)注水時間，占階段注水時間的1/4-1/3。圖3是兩口井造腔結(jié)束后測腔結(jié)果，腔體形態(tài)均優(yōu)于設(shè)計，1#井形態(tài)更穩(wěn)定。1#、2#井腔體體積分別為19.3萬方和18.2萬方，也優(yōu)于設(shè)計。

7 結(jié)束語

（1）反循環(huán)造腔返出鹵水濃度高，建腔速度快。在相同注水條件下，反循環(huán)造腔的速度要高于正循環(huán)，縮短了造腔建設(shè)的周期。

（2）建槽期開始使用正循環(huán)腔體，何時采用反循環(huán)方式造腔須根據(jù)巖層地質(zhì)條件和兩口距大小確定。

（3）在建腔中期，采用反循環(huán)方式，中間管下深至前一階段腔體頂部，中心管下至腔體底部，可明顯降低腔底抬升速度。適時調(diào)整墊層位置以控制泥質(zhì)夾層垮塌時機和腔體的發(fā)育形態(tài)。

（4）在建腔收口期，可采用正反循環(huán)交互方式。

參考文獻

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