注水排量對水平井造腔腔體形態影響實驗研究

王文權 苗勝東 邢紅艷 張強 楊杰 程煜

1. 華北石油管理局有限公司江蘇儲氣庫分公司；2. 中國科學院武漢巖土力學研究所

目前國內外針對水平井造腔相關研究較少，關于排量對水平井造腔腔體形態擴展影響的實驗研究更是鮮有報道。法國在東部Mulhouse 鹽礦中的一個25 m 厚鹽層中進行水平井分步造腔實驗并對水平腔流場和濃度場分布展開初步分析［1-6］。姜德義等通過開展小井間距雙井水溶造腔實驗，發現該造腔方式易形成兩端不對稱的腔體［7］；任松等通過開展小間距水溶造腔實驗對雙井小間距水溶腔體的擴展規律和特性展開研究，并發現提管方式對小間距雙井水溶造腔有較大影響且對鹽腔側壁的溶解速率影響不明顯［8-10］；唐康等通過軟件模擬對水平腔體進行分類并認為中間放大型腔體在塑性區分布和體積收縮率等方面具有較好的穩定性［11］；周俊馳等對小間距水溶造腔中各造腔參數進行優化分析并給出排量和井間距等參數的參考值［12］；陳濤等認為水平腔內鹵水濃度分布對雙井水平腔體擴展具有一定的影響［13］；梁衛國等對水平腔體流場分布進行了初步理論研究并將水平腔體流場分布按照鹵水運移的作用區域劃分為對流擴散區、緩沖擴散區和飽和沉淀區［14-16］。

針對國內鹽穴儲氣庫在建庫過程中普遍存在鹽層厚度小、隔夾層厚度大的特點，使用傳統的造腔工藝形成的腔體極易出現形態差、成腔率低等相關問題，采用水平井多步法造腔技術可以解決上述問題。然而目前我國還未開展過水平井多步法造腔工程試驗，缺乏水平井造腔的相關理論研究。因此本文擬開展排量對水平井造腔腔體形態擴展影響的實驗研究，以期為我國開展水平多步法造腔工程試驗提供參考。

1 實驗準備及設計

由于國內鹽層埋深較大，無法獲取滿足水平井造腔所需要的大尺寸鹽巖，本文在開展水平井造腔實驗時所用到的鹽巖均取自巴基斯坦喜馬拉雅山區鹽巖。為了更好地觀察不同排量下腔體形態擴展現象，實驗通過透明亞克力板實時觀測鹽腔輪廓，并通過高清照相機每隔15 min 獲取鹽腔階段形態，從而記錄鹽腔形態整個變化過程。原鹽的鹽巖密度為2 300 kg/m3，其加工成長、寬、高為20 cm×5 cm×10 cm的鹽磚試件，磨平后兩管口距離11.5 cm，具體準備步驟如下：(1)制作規則長方體鹽磚模型，將其中一面打磨平整光滑，用鉛筆在該表面劃上鉆井軌跡；(2)使用電鉆沿著鉆井軌跡鉆出直徑約8 mm 的鉆孔，利用直徑為4 mm 的鋼管模擬井筒并按照設定的位置放置到鉆孔豎槽處，如圖1～2 所示；(3)右邊直井用膠液將鋼管與槽之間的空隙填滿；左邊水平井段僅左側一定距離處用橡膠塞以及環氧樹脂固井，保證氣密性的同時實現左邊水平井可以后退橡膠管且橡膠軟管不被固定在槽內；(4)井段固好之后，將橫槽與未封井段里面填上鹽粉，防止后期巖樣表面的膠液堵塞鉆孔；然后往巖樣表面均勻涂上環氧樹脂AB 膠，最后將尺寸與巖樣相近的透明玻璃蓋到膠液上方；(5)膠液干燥凝固后，試樣前方固定位置放置相機等工具設備，準備開始實驗。

圖1 造腔管柱設計圖Fig. 1 Design drawing of cavity construction string

圖2 造腔管柱實物圖Fig. 2 Picture of cavity construction string

本試驗為水平井不同排量下造腔的室內模擬實驗，設計在造腔過程中保持造腔兩管距不變，注入排量分別設置為5、10、20、30 mL/min，實驗過程中每隔30 min 測量一次排鹵質量濃度，同時用相機記錄腔體形態，分析不同注水排量下水平腔體擴展規律。

2 室內模擬實驗

2.1 注水排量為5 mL/min 時腔體輪廓變化

腔體的最初形態為人工切割的水平橫槽(如圖3a)。開始造腔時，淡水通過樣品左側水平端注入，一段時間后從右側垂直端排出。溶腔1 h 后，腔體靠近水平端一側形成一明顯凸起，腔體高度自左向右逐漸降低，腔體頂部最終形成左高右低的斜面(如圖3b)。2 h 后，近水平端一側的凸起進一步溶蝕逐漸呈弧形腔頂，自左向右腔體斜面斜率緩慢變大。隨著溶腔持續進行，腔體的整體形態繼續擴大，但水平腔體主體仍保持左低右高的斜面(如圖3d, 3e)。5 h 后，溶腔停止，水平腔體最終呈現左高右低類似于“鞋”輪廓的形狀(如圖3f)。

圖3 注水排量為5 mL/min 時腔體輪廓變化Fig. 3 Change of cavity outline at the water injection displacement of 5 mL/min

2.2 注水排量為10、20、30 mL/min 時腔體輪廓變化

10 mL/min 注水排量下腔體擴展過程與5 mL/min注水排量下腔體輪廓擴展規律幾乎一致，腔體最終均呈現左高右低類似“鞋”輪廓的形狀(如圖4)。不同的是，10 mL/min 排量下腔體斜面比5 mL/min注水排量下腔體斜面有著明顯的變緩趨勢，其左側腔頂高度比右側僅高1 cm 左右，遠小于5 mL/min注水排量下腔體斜面的斜率。

圖4 注水排量為10、20、30 mL/min 時腔體輪廓變化對比圖Fig. 4 Comparison between the changes of cavity outline at the water injection displacement of 10, 20 and 30 mL/min

不同于5、10 mL/min 注水排量下的腔體，20 mL/min 和30 mL/min 注水排量下腔體擴展過程類似。相比于5、10 mL/min 下的水平腔體形狀，20、30 mL/min排量下腔體兩側幾乎不存在高度差，腔體頂部起伏高差僅在0.5 cm 以內，呈橫向圓柱體狀(見圖4)。其腔體擴展如下：開始溶腔0.5 h 后，受較大注入排量影響，淡水噴射距離較遠，其噴射運動距離基本已至排水口附近，淡鹵水在排水口附近遇鹽壁折回而形成對流區，淡水流動速度加快，以致排水口附近腔頂抬升更快，形成腔體如圓柱狀。隨著溶腔持續進行，腔體發展形狀基本類似于0.5 h 的狀態，腔體整體高度逐漸升高，最終形成圓柱狀水平腔體。

3 實驗現象分析

通過進行不同排量下水平腔體擴展室內模擬實驗，發現注水排量是造成水平腔體形狀不同的直接原因。當排量為5、10 mL/min 時，淡水注入腔體之后，受腔內較高質量濃度鹵水的影響，淡水噴射距離較短且會因質量濃度差產生的浮力而向上運動，因此淡水會首先對近注水端一側的水平端的鹽巖進行溶解，這是低排量下水平腔體在距離注水口1 cm 位置處形成一極高的弧形頂的原因。之后鹵水向排水口運動的過程中繼續參與溶解，至排水口時鹵水質量濃度達到最高，受鹵水質量濃度影響，腔頂形成一明顯的傾斜面；當排量為20、30 mL/min 時，由于注入壓力較大，淡水噴射距離和淡水注入量均遠大于小排量下淡水噴射距離和注入量。因此導致整個水平腔內鹵水質量濃度普遍偏低且水平腔內左側和右側的鹵水質量濃度相差不大，這是高排量下水平腔體普遍形成大平頂最主要原因。

4 注水排量-排鹵質量濃度關系分析

如圖5、圖6 所示，通過分析不同注水排量下排鹵質量濃度隨時間變化和累積產鹽量變化關系曲線可知：隨著注入排量逐漸增大，水平腔體的排鹵質量濃度逐漸降低，30 mL/min 下的排鹵質量濃度僅達到5 mL/min 排鹵質量濃度的一半；排量對累積采鹽量的影響存在一臨界值，當排量小于該臨界值時，排量越大，單位時間內采鹽量越大；而當排量大于該臨界值時，由于注入排量過大，導致注入淡水還未與鹽巖充分溶蝕就被排出腔體，單位時間內累積采鹽量反而隨著排量增大而降低。

圖5 不同注水排量下排鹵質量濃度隨時間變化Fig. 5 Variation of brine mass concentration at different water injection displacements over the time

圖6 不同注水排量下累積產鹽量變化曲線圖Fig. 6 Variation of cumulative salt production at different water injection displacements

綜上所述，實際生產中，當兩管距固定時，可以通過調整排量對腔體形狀進行微調以保證鹽層利用率和水平腔體穩定性。排量較小時，排鹵質量濃度高，可有效滿足鹽化廠對鹵水質量濃度的要求，但會影響腔體形態的擴展，降低鹽層的利用率，導致單位時間內累積采鹽量較少，最終影響整個造腔周期；排量較大時，盡管此時排鹵質量濃度會因排量增大而有所減小，但單位時間內累積產鹽量仍隨著排量增大而增大，鹽層利用率逐漸增高，腔體形狀亦越趨規則，至臨界值時，水平腔體形狀和效益達到最優；當排量超過臨界值時，由于排鹵質量濃度過低最終影響造腔時單位時間內的累積采鹽量，造腔效率隨著排量增大反而逐漸減小，最終也會對水平井造腔周期產生影響。因此實際生產中應根據實際需要選擇合適排量進行水平井造腔，使造腔效益最大化。

5 結論

(1)當排量為5、10 mL/min 時，水平腔體擴展形狀受腔內鹵水質量濃度分布影響，腔體發展呈現不均勻性，從水平注入端到直井出水端存在一明顯左高右低的斜面，腔體最終呈“鞋”形態；當排量為20、30 mL/min 時，受淡水噴射距離影響，水平腔左右兩端鹵水質量濃度變化不大，因此形成的腔體頂部高度差較小，腔體規則，最終呈圓柱形。

(2)隨著注入排量逐漸增大，水平腔體的排鹵濃度逐漸降低，且在水平腔體發展過程中，造腔排量亦存在一臨界值，通過水平井造腔模擬實驗發現，該臨界排量為20 mL/min。當低于該臨界值時，腔體累積產鹽量隨注入排量增大而增大；當高于該臨界值時，則會隨著注入排量增大而逐漸減小。

(3)通過合理調配參數，當注水排量為20 mL/min時，腔體形態最終呈“隧道”形，此時對鹽層利用率達到最大。對于鹽穴儲氣庫水平腔造腔工作，并非排量越大，造腔效果越好，應當根據現場實際情況，匹配合理的注水排量。