高效利用復(fù)雜連通老腔新方法與效果分析

垢艷俠 完顏琪琪 丁國生 鄭雅麗 邱小松 李東旭 李康 冉莉娜

摘 ? 要：鹽礦采鹽過程中形成的老腔資源豐富，將符合改建儲(chǔ)氣庫條件的老腔改建成儲(chǔ)氣庫，既可加快我國儲(chǔ)氣庫建設(shè)進(jìn)度，還可以降低鹽穴儲(chǔ)氣庫造腔成本。單井單腔老腔改建儲(chǔ)氣庫技術(shù)成熟、效果良好，但對(duì)井老腔改建儲(chǔ)氣庫的研究幾乎處于空白。通過對(duì)復(fù)雜連通對(duì)井老腔地質(zhì)條件的研究，利用物質(zhì)平衡法，結(jié)合鉆井井眼軌跡、聲吶檢測(cè)結(jié)果構(gòu)建了對(duì)井復(fù)雜連通老腔的形態(tài)模型，預(yù)測(cè)了擬改造老腔的腔體形態(tài)和體積;本著充分利用鹽腔空間，提高空間動(dòng)用率等原則，提出在原注水井和采鹵井之間新鉆一口鉆至水平通道的排鹵井，實(shí)現(xiàn)將鹽腔殘?jiān)宣u水盡可能排出來增加儲(chǔ)氣庫空間的目標(biāo);上述方案通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，不僅驗(yàn)證了對(duì)井老腔形態(tài)預(yù)測(cè)模型的可靠性，也為復(fù)雜連通對(duì)井老腔腔體的高效利用提供一種有效方法。

關(guān)鍵詞：連通老腔 ?高效利用 ?新方法 ?效果 ?鹽穴儲(chǔ)氣庫

中圖分類號(hào)：TE82 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）10（b）-0089-06

Abstract： The old cavities formed in salt mining process are rich in resources， and the old cavities which meet the conditions of reconstruction， can be transformed into gas storage， which can not only accelerate the construction schedule of China's gas storage， but also reduce the building cavity cost of salt cavern gas storage. The technology of rebuilding gas storage with single well and single cavity is mature and effective， but the research on rebuilding gas storage with double well and old cavity is almost blank. Based on the study of the geological conditions of the complex connected old cavities， the model of the complex connected old cavities of the Wells is constructed by using the material balance method and combining the drilling well trajectory and sonar detection results， and the shape and volume of cavities to be reconstructed are predicted. Based on the principle of making full use of salt cavity space and improving space utilization rate， a new halogen discharge well drilled into a horizontal channel between the original injection well and the brine production well is proposed to realize the goal of ?removing brine from the residual salt cavity and increasing the space of gas storage as much as possible;Through field implementation of the above recommended scheme， the halogen discharge well has successfully drilled into the horizontal channel， which not only verifies the reliability of the prediction model of well salt cavity morphology， but also provides an effective method for the efficient use of complex connected old well cavities.

Key Words： Connected old cavity; Efficient use; New method; Effect; Salt cavern gas storage

中國鹽穴儲(chǔ)氣庫建庫地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，與國外鹽丘型儲(chǔ)氣庫建庫條件相比，具有鹽層薄、夾層多、鹽巖品位低等特點(diǎn)[1-4]，受建庫地質(zhì)條件及鹵水接收能力的限制，我國鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)速度較慢。我國已建和擬建儲(chǔ)氣庫的鹽礦周圍的鹽化企業(yè)在采鹽過程中形成了大量的鹽腔，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國已建或擬建鹽穴儲(chǔ)氣庫的金壇、云應(yīng)、淮安、平頂山鹽礦有300多個(gè)鹽腔[5]。若能將鹽化企業(yè)符合改建儲(chǔ)氣庫條件的老腔改建成儲(chǔ)氣庫，將有效增加我國儲(chǔ)氣庫的儲(chǔ)氣規(guī)模，不僅會(huì)加快我國儲(chǔ)氣庫建設(shè)進(jìn)度，還可以降低鹽穴儲(chǔ)氣庫工程建設(shè)成本。

中石油、中石化及鹽化企業(yè)已在金壇鹽礦利用采鹵老腔成功改建10個(gè)單井老腔用于儲(chǔ)氣，已形成單井單腔老腔篩選、評(píng)價(jià)、改造利用等配套技術(shù)手段。而對(duì)于大量的對(duì)井老腔改建儲(chǔ)氣庫的研究幾乎處于空白。通過大量的研究工作，構(gòu)建了對(duì)井老腔的模型，提出了高效利用對(duì)井老腔的新方法。通過鉆井實(shí)施，成功鉆至水平通道，不僅證實(shí)預(yù)測(cè)模型的可靠性，也為高效利用復(fù)雜連通對(duì)井老腔奠定了基礎(chǔ)。

1 ?擬改造老腔形態(tài)模型構(gòu)建及預(yù)測(cè)

擬改造的老腔為一對(duì)井采鹽老腔，注采井1和注采井2井口相距約330m。擬改造老腔所處鹽礦由于含鹽地層夾層多、水不溶物含量高、生產(chǎn)造腔過程無油墊控制，導(dǎo)致鹽腔形態(tài)復(fù)雜，加之注采井1和注采井2井口距大，聲吶檢測(cè)設(shè)備無法完全探測(cè)該對(duì)井老腔形態(tài)及體積，需在老腔聲吶檢測(cè)基礎(chǔ)上，利用物質(zhì)平衡法，結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)和井軌跡對(duì)注采井1-注采井2 老腔形態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.1 鹽腔總體積估算

擬改造的老腔有完整的注采造腔生產(chǎn)記錄，根據(jù)注水量、采鹵量、鹵水濃度、NaCl含量可估算采出鹽的體積及動(dòng)用的含鹽地層的體積。

擬改造的老腔已注水737.5萬m3，采鹵678.1萬m3，按照采鹵濃度300g/L，鹽密度2160kg/m3，折算采鹽體積為94.2萬m3;按采鹵地層平均NaCl含量為55%，估算動(dòng)用含鹽地層地下空間體積171.2萬m3。

1.2 鹽腔形態(tài)模型構(gòu)建及預(yù)測(cè)

目前檢測(cè)鹽腔的設(shè)備主要是聲吶儀器，聲吶儀器檢測(cè)鹽腔直徑范圍150m左右，主要應(yīng)用于單井單腔檢測(cè)。我國建庫地質(zhì)條件復(fù)雜，夾層多，水不溶物含量高，鹽腔被大量殘?jiān)紦?jù)，鹽礦對(duì)井開采形成大量老腔，但開采對(duì)井井距在300m左右，聲吶儀器無法檢測(cè)到對(duì)井老腔中水平通道，進(jìn)而對(duì)對(duì)井老腔的形態(tài)未知。筆者假設(shè)了3種鹽腔形態(tài)模型，以水平通道的高低將鹽腔劃分為高通道鹽腔（圖1-a）、中通道鹽腔（圖1-b）、低通道鹽腔（圖1-c）等3種鹽腔形態(tài)。

根據(jù)擬改造老腔的高度和動(dòng)用的含鹽地層的體積分析，若擬改造鹽腔的水平通道為高通道和中通道，估算的鹽腔總體積將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過物質(zhì)平衡法估算的動(dòng)用含鹽地層地下空間體積（171.2萬m3），因此擬改造鹽腔為高通道和中通道鹽腔的可能性極小。

為了準(zhǔn)確構(gòu)建擬改造鹽腔的形態(tài)模型，以注采井1-注采井2含鹽地層地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，利用物質(zhì)平衡法，結(jié)合鉆井井眼軌跡、聲吶檢測(cè)結(jié)果，構(gòu)建和預(yù)測(cè)對(duì)井鹽腔形態(tài)。首先以聲吶檢測(cè)技術(shù)落實(shí)了對(duì)井部分腔體形態(tài)，再通過采鹽量、造腔體積、堆積系數(shù)等參數(shù)的物質(zhì)平衡計(jì)算，建立了新的“低通道”模型。初步預(yù)測(cè)擬改造老腔呈U型形態(tài)，注采井1為水平井，造斜點(diǎn)以上呈近似圓柱體，造斜點(diǎn)以下至水平段起點(diǎn)呈近似圓錐體，兩井水平通道呈近圓柱體;注采井2為直井，鹽腔形態(tài)近似圓柱體（圖2）。

預(yù)測(cè)鹽腔形態(tài)由A、B、C、D四部分組成（圖2），A為注采井1造斜點(diǎn)以上至腔頂?shù)捉鼒A柱體（1370-1305.7m），B為注采井1造斜點(diǎn)至水平段起點(diǎn)近圓錐體（1370-1490m），C為水平連通通道近圓柱體，D為注采井2直井鹽腔近圓柱體（1322-1480m）。

（黑色部分是聲吶檢測(cè)形態(tài)，紅線是井眼軌跡，陰影部分是不溶物殘?jiān)?/p>

鹽腔各部分形態(tài)體積計(jì)算公式如下：

A=πR12h1

B=πR22h2/3

D=πR32h3

C=πR42h4

其中R1、R3、R4為分別為A、D、C部分的半徑、R2為B部分的最大半徑;h1、h2、h3為A、B、D的高度，h4為C部分長(zhǎng)度。

根據(jù)有關(guān)參數(shù)計(jì)算出A、B、D部分總體積146.5萬m3（如表1）。

由于水平通道的高度（即C部分的直徑）無法直接獲得，故水平連通通道C體積的計(jì)算采用間接法求取。

水平連通通道C體積=鹽腔總體積-聲吶測(cè)腔體積-（A+B+D）體積。

鹽腔總體積采用物質(zhì)平衡法估算的結(jié)果（171.2萬m3），聲吶測(cè)腔體積取注采井1、注采井2實(shí)測(cè)值17.1萬m3，故C通道的體積為7.6萬m3。根據(jù)連通通道體積及井距，計(jì)算可得出水平段平均高度約為19.8m。

注采井1中的3鹽群底部發(fā)育一套5.7m厚夾層（1453.8-1459.5m），注采井2中的4鹽群底部發(fā)育一套5.58m厚夾層（1445.22-1450.8m）。因注采井1-注采井2造腔過程中水平段鹵水已接近飽和，鹽巖上溶速度較慢，夾層難以垮塌，估算水平連通通道高度最大約30m。

2 ?老腔利用方案

2.1 改造利用方案

本著盡可能提高鹽腔空間動(dòng)用率，將鹽腔中及水平連通通道堆積的殘?jiān)宣u水排出以擴(kuò)大鹽腔有效儲(chǔ)氣空間的原則，提出在注采井1-注采井2之間新鉆一口排鹵井，排鹵井鉆至水平連通通道內(nèi)（見圖3），排鹵管柱下入水平連通通道內(nèi);注采井1-注采井2經(jīng)工程驗(yàn)證其密封合格后用于注采氣。通過向注采井1、注采井2注氣，使鹽腔壓力逐漸提高，鹽腔及堆積殘?jiān)械柠u水通過新鉆排鹵井逐漸排出，最終將位于排鹵管排鹵口以上的鹵水有效排出。

2.2 效果預(yù)測(cè)

（1）殘?jiān)障犊臻g可行性分析。

我國鹽穴儲(chǔ)氣庫大多建設(shè)在可溶鹽層與不溶夾層間互發(fā)育組成的層狀鹽巖中，含有較多難溶雜質(zhì)，水溶造腔過程中不溶物垮塌、膨脹堆積在鹽腔底部，形成了殘?jiān)紦?jù)部分空間，損失了部分儲(chǔ)氣空間。

殘?jiān)纬蛇^程是造腔段中所含的不溶物在造腔的過程溶解剝落，呈顆粒或塊狀沉降至腔底，然后浸泡在水中，同時(shí)隨著殘?jiān)叨鹊脑黾樱撞康臍堅(jiān)鼤?huì)受到其上覆殘?jiān)逊e的重量壓實(shí)作用。基于這種過程開展系列實(shí)驗(yàn)來分析底部殘?jiān)障犊臻g是否有利用。

實(shí)驗(yàn)過程：首先選擇不同巖性的夾層樣品，進(jìn)行描述后粉碎，得到夾層干樣的碎脹系數(shù);對(duì)粉碎的樣品進(jìn)行組分分析得到樣品的不溶物含量;通過浸水試驗(yàn)得到殘?jiān)鏊某跏寂蛎浵禂?shù)，經(jīng)沉降后得到殘?jiān)亩逊e系數(shù);通過充分壓實(shí)試驗(yàn)得到殘?jiān)暮?通過模擬腔底堆積物的壓力情況分析殘?jiān)谠烨还r下的堆積體積;通過氣驅(qū)水試驗(yàn)測(cè)量注氣后排出數(shù)量，分析氣體占據(jù)殘?jiān)目臻g

通過一系列的組分實(shí)驗(yàn)、侵水實(shí)驗(yàn)、壓實(shí)氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)和滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)，開展殘?jiān)障犊臻g可行性分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明殘?jiān)唇?jīng)自重壓實(shí)作用時(shí)，殘?jiān)逊e體空隙率達(dá)到42.8%～51.9%，平均空隙率48.3%;經(jīng)過上覆殘?jiān)灾貕毫簩?shí)（120m高度約1MPa）后空隙率降低22.7%～38.2%（見圖4），平均降低30.5%，剩余空隙率為17.8%;滲透率測(cè)試結(jié)果表明氣相滲透率約為0.041～3.729Md，具備一定的滲流能力。因此，鹽腔底部殘?jiān)邆湟欢障犊臻g，且該空隙空間中的鹵水可以通過注氣排鹵的方法排出，從而提高鹽腔儲(chǔ)氣空間。

（2）預(yù)測(cè)效果分析。

為排出鹽腔內(nèi)更多鹵水，盡可能將排鹵管柱下至鹽腔水平連通通道的低部位。由于水平通道具體形態(tài)及水不溶物殘?jiān)逊e高度難以預(yù)測(cè)，因此，新鉆排鹵井在鉆入水平通道后，在可能的情況下探測(cè)水平通道的底部深度。

通過對(duì)注采井1、注采井2注氣，使鹽腔壓力逐漸提高，鹽腔中的鹵水通過新鉆排鹵井逐漸排出，最終將位于排鹵管排鹵口以上鹵水有效排出（即排出鹽腔實(shí)測(cè)有效空間及A、E、F部分殘?jiān)紦?jù)空間中鹵水，見圖5）。

根據(jù)鹽化企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及鹽腔形態(tài)預(yù)測(cè)，估算造腔動(dòng)用地下鹽巖地層總體積為171.2萬m3，采出鹽體積為94.2 萬m3，不溶物原始體積77萬m3。根據(jù)預(yù)測(cè)腔體形態(tài)A、E、F體積估算結(jié)果（見表2），利用鉆達(dá)水平通道的排鹵井排鹵，可排出占據(jù)A、E、F空間的134萬m3殘?jiān)宣u水。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的壓實(shí)曲線y=6.5523ln（x）+ 33.264，殘?jiān)叨燃s160～180m時(shí)，其對(duì)應(yīng)的自重壓力約為1.4MPa，減小空隙率為35.7%，未壓實(shí)前空隙率按照48.3%估算，剩余空隙率約為12.6%。注采井1-注采井2的老腔剩余空隙體積約為16.8萬方。氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)驅(qū)替體積比例為總體積的1.9%，合計(jì)增加2.5萬方有效儲(chǔ)氣空間，增加儲(chǔ)氣體積比例14.6%。由于氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)裝置底部見氣泡后停止實(shí)驗(yàn)，較實(shí)際能驅(qū)替值小，假設(shè)注氣排鹵井能排出殘?jiān)障吨?0%的鹵水，將增加8.4萬方有效儲(chǔ)氣空間，增加儲(chǔ)氣體積比例49.1%（見表3）。

3 ?應(yīng)用前景

根據(jù)老腔改造利用方案，在擬改造老腔開展了先導(dǎo)性試驗(yàn)排鹵井的鉆探。實(shí)鉆結(jié)果顯示，位于注采井1和注采井2之間的排鹵井鉆至1477m進(jìn)入水平通道，于1486m探到水平通道底部，排鹵井實(shí)鉆水平通道高度9m。初步分析認(rèn)為，實(shí)鉆的水平通道的高度與形態(tài)與預(yù)測(cè)的水平通道高度與形態(tài)誤差不大，該腔體屬于低水平通道。該排鹵井的鉆探成功不僅驗(yàn)證了對(duì)井鹽腔形態(tài)預(yù)測(cè)模型的可靠性，也為復(fù)雜連通對(duì)井老腔腔體的高效利用提供一種有效方法。

若該改造利用方案應(yīng)用于我國已建或擬建鹽穴儲(chǔ)氣庫的金壇、云應(yīng)、淮安、平頂山等鹽礦，將鹽化企業(yè)符合改建儲(chǔ)氣庫條件的老腔改建成儲(chǔ)氣庫，將有效增加我國儲(chǔ)氣庫的儲(chǔ)氣規(guī)模，不僅會(huì)加快我國儲(chǔ)氣庫建設(shè)進(jìn)度，還可以降低鹽穴儲(chǔ)氣庫工程建設(shè)成本。

4 ?結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）我國地下復(fù)雜連通老腔資源豐富，科學(xué)合理地利用老腔進(jìn)行儲(chǔ)氣，對(duì)我國儲(chǔ)氣庫發(fā)展意義重大。

（2）以含鹽地層地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，利用物質(zhì)平衡法，結(jié)合鉆井井眼軌跡、聲吶檢測(cè)結(jié)果，可構(gòu)建和預(yù)測(cè)對(duì)井鹽腔形態(tài)。

（3）在對(duì)井之間鉆探一口排鹵井可大幅度排出鹽腔內(nèi)殘?jiān)障秲?nèi)鹵水，提高鹽腔空間利用率。

（4）復(fù)雜連通老腔改造先導(dǎo)性試驗(yàn)驗(yàn)證了復(fù)雜連通對(duì)井老腔為低水平通道的鹽腔模型的可靠性。

（5）復(fù)雜連通老腔改造新技術(shù)的利用和推廣，有利于大幅度加快鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)進(jìn)度，提高儲(chǔ)氣調(diào)峰能力。

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