一種地下鹽穴儲氣庫溶腔體積的優(yōu)化計(jì)算方法

于鵬亮

（北京普瑞浩特能源科技有限公司，北京 100012）

容積是建造儲氣庫的重要指標(biāo)，直接決定儲氣庫的庫容和調(diào)節(jié)功能。對于鹽穴地下儲氣庫，溶腔過程中必須有效跟蹤儲氣庫的體積變化，以便確定相應(yīng)的腔體形狀、測試時(shí)機(jī)和停井時(shí)間，及時(shí)調(diào)整后期溶腔方案，最終高效、穩(wěn)定地完成目標(biāo)庫容鹽穴地下儲氣庫的建造。現(xiàn)有的物質(zhì)平衡法在折算地下溶蝕鹽巖體積時(shí)，由于已經(jīng)濾取的腔體為鹵水所占據(jù)，且鹵水中通常也有大量其他可溶鹽類或離子的存在，故此僅依靠返出鹵水中的NaCl 成分來折算溶腔體積的做法是不可取的。

1 模型框架

鹽穴儲氣庫井的返鹵密度直接反映了腔內(nèi)鹵水密度的變化。典型返鹵密度變化趨勢（見圖1），大體可分為驅(qū)替期、上升期和穩(wěn)定期。開井初期返鹵密度較高甚至接近飽和，開始注水后，清水開始驅(qū)替并稀釋腔內(nèi)鹵水，返鹵密度先高后低；隨著溶蝕時(shí)間的增加，腔體逐步增大，返鹵濃度開始緩慢提高；當(dāng)返鹵密度到達(dá)某一數(shù)值后開始趨穩(wěn)，最終不再增加。這一現(xiàn)象表明注入水并未全部參與溶蝕過程。其中滯留水將留在腔體參與溶解進(jìn)程。而產(chǎn)出水則與井腔內(nèi)的鹵水相混合，最終排出腔體。注入水等于滯留水和產(chǎn)出水之和。

據(jù)此，可以架構(gòu)如下的物質(zhì)平衡關(guān)系模型框架：巖鹽的溶解質(zhì)量包含滯留水的溶解質(zhì)量和產(chǎn)出水?dāng)y帶的溶解質(zhì)量兩部分。假設(shè)巖鹽在溶解前后溶液體積不發(fā)生變化，則溶腔體積Vt等于注采體積差V1與注采質(zhì)量差折算的腔內(nèi)鹵水體積V2之和。

同時(shí)，溶腔體積Vt亦由鹽腔的凈體積V、不溶物堆積并膨脹后所占據(jù)的體積Vi兩部分構(gòu)成（見圖2）。

圖1 某鹽穴儲氣庫井返鹵密度的典型變化曲線Fig.1 The typical changing curve of brine density about a salt-cavern underground storage well

圖2 優(yōu)化后的物質(zhì)平衡關(guān)系模型框架Fig.2 The optimization mass-balance relationship model framework

2 計(jì)算方法

2.1 總體積

通常情況下，注水量大于返鹵量，溶腔體積為：

而當(dāng)注水量小于或等于返鹵量時(shí)，溶腔體積為：

其中：Qw、Qb-注水和返鹵流量，m3/h；ρw、ρb、ρc-注入水、返出鹵水及腔內(nèi)鹵水密度，kg/m3，取ρb=ρc。

2.2 凈體積計(jì)算

假設(shè)不溶物含量為A，%。不溶物蓬松系數(shù)為β，無量綱，不溶物的堆積體積為：

則鹽穴的凈體積為：

2.3 不溶物含量和蓬松系數(shù)的取值

鹽穴在溶蝕過程中沉降的不溶物以地層中天然硬石膏水化后的產(chǎn)物—二水石膏（CaSO4·2H2O）為主，并因沉積環(huán)境的不同兼有砂質(zhì)、泥質(zhì)和其他不溶鹽類等不溶物。除此之外，由于鹽腔底部為飽和鹵水，井壁崩落的鹽塊墜入其中后將不再溶解，因此也是鹽腔底部不溶物的重要來源。

圖3 某鹽穴儲氣庫井最近兩次聲吶測試的鹽腔底部疊加對比Fig.3 Comparison of the bottom level between the two last sonar surveys of some cavern

不溶物含量的取值除要參考測井解釋成果、巖心分析結(jié)果和擬合歷史外，應(yīng)當(dāng)著重實(shí)際的不溶物含量，以便同時(shí)匹配體積、鹽腔底部深度的變化（見圖3）。

實(shí)際不溶物含量A 可根據(jù)實(shí)測腔體凈體積的增幅Vdi和不溶物所占據(jù)體積的增量Vjj進(jìn)行計(jì)算。

其中，硬石膏全部轉(zhuǎn)化為二水石膏時(shí)其理論絕對體積將增大58 %，考慮其他不溶物并不發(fā)生水化膨脹，因此不溶物蓬松系數(shù)β 一般取1.5。

3 應(yīng)用情況

根據(jù)前述方法，在已知?dú)v史實(shí)測體積數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對某鹽穴儲氣庫項(xiàng)目UGS1 井的不溶物含量進(jìn)行反向折算，其結(jié)果（見表1）。從表1 折算結(jié)果來看，與傳統(tǒng)的物質(zhì)平衡計(jì)算法相比，優(yōu)化計(jì)算法更加接近軟件模擬結(jié)果，能夠比較準(zhǔn)確地反映鹽穴體積發(fā)展的真實(shí)情況。

某鹽穴儲氣庫項(xiàng)目在溶鹽穴地下儲氣庫井4 口，應(yīng)用上述方法分別對其體積進(jìn)行計(jì)算。對比實(shí)測（聲吶測腔）容積，體積偏差平均約0.22 %，計(jì)算精度較高（見表2）。

表1 UGS1 井實(shí)測體積及折算不溶物含量Tab.1 The survey volume and deduced insoluble content for UGS1

表2 某鹽穴儲氣庫溶腔體積計(jì)算值與實(shí)測值統(tǒng)計(jì)對比表Tab.2 The comparison of survey volume and calculated volume for wells in a project

4 結(jié)論與認(rèn)識

（1）溶腔過程中，注入水并不全部參與腔體的溶蝕過程。其中滯留水將留在腔體參與溶解進(jìn)程。而產(chǎn)出水則與井腔內(nèi)的鹵水相混合，最終排出腔體。根據(jù)這一認(rèn)識，依據(jù)物質(zhì)守恒原理優(yōu)化物質(zhì)平衡模型和計(jì)算方法，能夠更加準(zhǔn)確地反映鹽穴溶蝕進(jìn)展，提高溶腔體積的計(jì)算精度。

（2）由于溶腔過程中始終存在不同程度且不可控制的鹽塊崩落、偏溶及蠕變等現(xiàn)象，不溶物含量無法精確取值，因此計(jì)算誤差不可避免。但在偏溶或崩落等現(xiàn)象不發(fā)育的情況下，隨著腔體體積的增大，不溶物含量的取值趨于穩(wěn)定，計(jì)算的準(zhǔn)確性會相應(yīng)提高。