金壇鹽穴儲氣庫造腔關鍵參數優化

王建夫 朱闊遠 李友才 范麗林 王文厚 葛超

中國石油華北油田分公司

金壇鹽穴儲氣庫是中國第一座鹽穴儲氣庫，經過10 多年的發展，已經成為中國甚至亞洲最大的鹽穴儲氣庫［1-2］。但是前期缺乏造腔經驗，造腔速度慢，單腔建設周期約3～5 a，鹽腔有效體積小，平均單腔有效體積不足25×104m3，嚴重制約了建庫速度。許多學者對造腔參數進行過優化研究［3-7］，但多是采用數值模擬方法，缺乏現場數據支持。隨著對金壇儲氣庫造腔經驗的積累及造腔認識的不斷加深，通過分析現場生產數據，對影響造腔效果的關鍵因素進行了優化。經過優化，造腔有效體積和造腔速度能夠顯著提高。優化結果可為金壇鹽穴儲氣庫造腔提供理論指導。

1 造腔基本流程

造腔是指在一定條件下，通過井眼將淡水或低濃度鹵水注入鹽層中，溶解鹽巖并排出鹵水，在地下形成特定形態的儲存空間的過程［8］。造腔過程可分為3 個階段，如圖1 所示。第1 階段建槽，采用正循環注水方式，在鹽層底部溶漓出一個“陀螺”形狀底坑，用來承裝上部堆積的不溶物；第2 階段建腔，主要采用反循環注水方式，在鹽層中部快速溶漓出一個近似圓柱形的鹽腔主體，該部分體積最大，是主要的儲集空間；第3 階段封頂，通過不斷上提油墊，在鹽層上部逐漸形成階梯狀拱形腔頂，起到穩定作用。

圖1 腔體發展過程Fig. 1 Cavern development process

針對每個階段的發展特點進行造腔優化，可顯著提高造腔速度和鹽腔有效體積。建槽期是第1 次注水造腔，由于鹽腔體積小，不溶物堆積較快，該時期主要的優化參數是注水排量和油墊距內管距離。建腔期腔體體積已經較大，排鹵質量濃度較高，為了快速造腔，該時期主要優化的參數是造腔管口距離、注水排量和循環方式。封頂期是造腔的最后一個階段，主要考慮腔體的穩定性，該時期優化的參數是油墊提升高度。下面對以上參數分別進行優化研究。

2 造腔優化方案

鹽穴儲氣庫造腔優化主要包括注水循環方式優化、油墊提升高度優化、注水排量優化、造腔管距優化。通過優化可提高鹽腔有效體積和造腔速度。

2.1 注水循環方式

2.1.1 反循環為主，顯著提高造腔速度

金壇儲氣庫建設早期油水界面監測手段少，費用高，主要采用正循環造腔，隨著光纖界面儀的研制成功，可對油水界面精確測量，且成本低，所以目前建腔期的井主要采用反循環造腔。為了盡量排除其他影響因素，選取金壇處于建腔期的6 口井，對內外管距相近、排量接近的正、反兩個階段的排鹵質量濃度進行比較，結果表明反循環造腔可比正循環造腔平均提高排鹵質量濃度10.2%，如圖2 所示。可見造腔方式應以反循環為主，可顯著提高排鹵質量濃度，從而提高造腔速度。

圖2 正、反循環排鹵質量濃度對比Fig. 2 Comparison of brine mass concentration between direct and reverse circulation

2.1.2 正循環為輔，進行修復擴容

反循環造腔可以提高造腔速度，但是不利于腔體形狀控制。當階段造腔體積沒達到設計值或不溶物夾層未垮塌等導致腔體底部出現畸形和偏溶等情況時［9-10］，需要適當采用正循環進行調整。例如，JT3 井第4 聲吶結果顯示造腔體積比設計值少了12 000 m3，如果采用反循環則因為注水點在上部無法對下部腔體有效擴容，所以下階段采用正循環，將內管下入腔體底部擴容，如圖3a 所示。數值模擬表明在腔體直徑相同的情況下，最終腔體體積可增加25 825.2 m3。JT4 井第9 次聲吶顯示在深度1 110 m處出現不溶物夾層形成的巖脊，之后各造腔階段均將造腔內管下入該深度處，采用正循環反復修復，最終該處巖脊被溶解，如圖3b 所示。所以適當采用正循環，可有效進行腔體修復擴容。

圖3 正循環對腔體修復擴容示意圖Fig. 3 Sketch of cavern restoration and expansion during direct circulation

2.2 油墊上提高度

油水界面調整對腔體形狀發展具有重大影響，特別是建槽期和封頂期，應該嚴格控制。建槽期油水界面距內管應控制在合適距離。距離太大，揭開鹽層厚度過大，會導致不溶物堆積過快，下部鹽層未溶蝕而被埋［11-13］，而距離太小，會導致腔體體積太小，前期直徑過大，不利于后續腔體直徑控制。選取金壇建槽層不溶物含量和建槽體積相近，且油水界面與內管距離在22.0～85.3 m 之間的6 口建槽井進行分析，第一次建槽情況如圖4 所示。結果顯示，當油水界面距內管距離為30～40 m 時，底坑抬升速度較慢，腔體形狀較好，為“陀螺”狀，腔體體積在23 000～30 000 m3之間，直徑在45～60 m 之間。此時，腔體體積滿足聲吶檢測要求，造腔內管被埋長度較小，腔體形狀也滿足后續腔體直徑控制在80 m 內的要求。所以第1 次建槽時，油墊距內管口距離建議在30～40 m 之間較為合適。

圖4 第1 次建槽油墊提升高度對不溶物抬升的影響Fig. 4 Influence of the lift height of diesel blanket in the stage of the first sump construction on the insoluble uplift

中期建腔時油水界面上提距離在5～30 m 之間，一般為15 m［14］。封頂期為了形成穩定的階梯狀拱形腔頂，油水界面調整次數需要增加，油水界面上提距離需要減少。經過統計分析封頂期油水界面上提距離小于10 m，腔頂形狀較好，如圖5a。當油水界面上提距離大于10 m，容易形成平頂，如圖5b 所示。此外，最后幾個階段油水界面上提距離較短，需要階段造腔時間也較短，約2～3 個月，這也便于造腔控制，避免異常溶蝕發現不及時。

圖5 封頂期油墊提升距離對腔頂影響Fig. 5 Influence of the lift distance of diesel blanket in the stage of roof forming on the cavern top

2.3 注水排量

注水排量對排鹵質量濃度和腔體形狀的規則程度影響較大，尤其是建槽期的腔體形狀，一旦發生畸形偏溶，對后續腔體發展都會產生不利影響［3,15］。經過統計，建槽初期采用正循環，注水排量緩慢增加，由30～50 m3/h 逐漸增加到80～100 m3/h。為了分析建槽期排量對排鹵質量濃度和造腔速度的影響，選取平均注水排量在50～100 m3/h 之間的造腔井分析，結果如圖6 所示。隨注水排量增加，平均排鹵質量濃度逐漸降低，平均造腔速度先增加后降低。注水排量在80～90 m3/h 之間，造腔速度最大。同時考慮到注水排量對形狀的影響，優化建槽期注水排量在80～90 m3/h 之間，既可以保證排鹵質量濃度在200 g/L，也可達到較高的造腔速度175 m3/d。

隨著腔體增大，鹵水與腔體接觸面積增加，排出鹵水質量濃度逐漸增高。對金壇建腔期造腔條件相似的反循環造腔井進行統計，結果如圖7 所示，發現建腔期隨著注水排量增加，排鹵質量濃度變化不大，都在310 g/L 以上，由此，導致了造腔速度隨注水排量呈明顯的線性增加。但是注水排量增加會顯著增加沿程壓耗，當注水排量在120 m3/h，沿程壓耗高達6.15 MPa。同時考慮到注水設備承壓，優化建腔期注水排量在90～100 m3/h 之間，此時造腔速度較高，可達300 m3/d 以上。

圖6 建槽期不同注水排量下造腔速度和排鹵質量濃度Fig. 6 Cavern construction speed and brine mass concentration at different water injection rate in the stage of sump construction

圖7 建腔期不同注水排量下造腔速度和排鹵質量濃度Fig. 7 Cavern construction speed and brine mass concentration at different water injection rate in the stage of main construction

2.4 造腔管距

造腔管柱相對距離主要影響鹽腔形態發展和排鹵質量濃度。為了優化造腔內外管距，對金壇建腔期正、反循環造腔井分別統計造腔管距對排鹵質量濃度和造腔速度的影響。

統計的正循環造腔管距在35～75 m 之間，結果如圖8 所示。發現45 m 造腔管距是影響排鹵質量濃度的關鍵點，當造腔管距大于45 m，排鹵質量濃度基本不隨造腔管距變化，當造腔管距小于45 m，隨著造腔管距減小，排鹵質量濃度逐漸降低。這是因為注入的淡水上浮過程中不斷與腔內鹵水混合，濃度不斷增加，直至與周圍鹵水濃度相同。當造腔管距較大時，注入的淡水還未到達排出管口位置就與周圍鹵水完全混合，濃度相同了，所以此時排鹵質量濃度與造腔管距無關。據此，建腔期正循環造腔優化造腔管距不低于45 m，此時排鹵質量濃度可達到280 g/L，不會明顯降低。

圖8 正循環不同造腔管距下造腔速度和排鹵質量濃度Fig. 8 Cavern construction speed and brine mass concentration at different leaching tubing inlet distance during direct circulation

圖9 反循環不同造腔管距下造腔速度和排鹵質量濃度Fig. 9 Cavern construction speed and brine mass concentration at different leaching tubing inlet distance during reverse circulation

統計反循環造腔管距在10～62 m 之間，結果如圖9 所示，可以發現反循環時，排鹵質量濃度均大于300 g/L，基本不受造腔管距影響。這是因為建腔期腔體較大，不飽和鹵水有充分接觸面積和時間來溶蝕腔壁，導致大量的飽和鹵水聚集在造腔內管底部后排出。同時，因為造腔速度正比于排鹵質量濃度乘以注水速度，所以，造腔速度與注水排量正相關性較好。據此，建腔期反循環造腔時，優化內外管距至少在10 m 以上，可達到較高的排鹵質量濃度，平均在300 g/L 以上，同時造腔速度不受管距影響。

3 結論

(1)第1 次建槽時，油水界面距內管距離應控制在30～40 m 之間，此時腔體形狀呈陀螺狀，便于后期腔體形狀控制，建槽期注水排量由30～50 m3/h 緩慢增加到80～90 m3/h，可保證造腔速度。

(2)建腔期反循環造腔較正循環可提高排鹵質量濃度10.2%，而適當采用正循環可有效修復擴容腔體，所以循環方式應以反循環為主，正循環為輔，注水排量在90～100 m3/h 之間，在保證造腔速度的同時，可顯著提高鹽腔有效體積。

(3)建腔期正循環造腔時排鹵質量濃度受造腔管距影響關鍵點為45 m，反循環時排鹵質量濃度不受造腔管距影響。正、反循環造腔時優化造腔管距分別為45、10 m，可保證較高的排鹵質量濃度，從而提高造腔速度。