鹽穴儲(chǔ)氣庫氮?dú)庾枞茏⒌坑?jì)算及現(xiàn)場試驗(yàn)

康延鵬 王文權(quán) 胡建林 巴金紅 杜玉潔 李飛珂

1. 中國石油鹽穴儲(chǔ)氣庫技術(shù)研究中心；2. 華北石油管理局有限公司江蘇儲(chǔ)氣庫分公司；3. 中國石油華北油田分公司

鹽穴儲(chǔ)氣庫主要采用水溶造腔法建造，造腔過程中需注入阻溶劑來控制腔體形狀［1］。受限于造腔技術(shù)，國內(nèi)鹽穴儲(chǔ)氣庫主要用柴油作為阻溶劑控制腔體形狀，安全和可控性較好，但造腔成本高，在造腔過程中常損失大量柴油，污染井周邊環(huán)境［2-4］，一旦泄漏至鹽化企業(yè)，會(huì)導(dǎo)致其停產(chǎn)。

采用氮?dú)庾鳛樽枞軇┛煽朔裼妥枞軇┑娜秉c(diǎn)，環(huán)境友好，成本較低，氣液界面監(jiān)控相對(duì)容易，界面調(diào)節(jié)簡單，一定程度上也能加快建庫。歐美國家對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫的研究較早，使用各種阻溶劑造腔技術(shù)較為成熟，德國Neuehuntorf NKⅢ鹽穴儲(chǔ)氣庫成功使用氮?dú)庾鳛樽枞軇┻M(jìn)行造腔［5-8］，加拿大也開展了氮?dú)庾枞茉烨坏南嚓P(guān)研究。國內(nèi)通過金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫試驗(yàn)井開展2 個(gè)階段氮?dú)庾枞茉烨唬~出了中國鹽穴儲(chǔ)氣庫氮?dú)庾枞茉烨患夹g(shù)的重要一步。

1 氮?dú)庾枞茉烨还に?/h2>

1.1 管柱結(jié)構(gòu)和井口

氮?dú)夂筒裼蛢煞N阻溶造腔井造腔管柱均采用?244.5 mm 生產(chǎn)套管+?177.8 mm造腔外管+?114.3 mm 造腔內(nèi)管的管柱組合。氮?dú)鈴纳a(chǎn)套管和造腔外管的環(huán)空注到指定深度，造腔可實(shí)現(xiàn)正反循環(huán)。正循環(huán)：從造腔內(nèi)管注淡水，從造腔外管與造腔內(nèi)管的環(huán)空排鹵水；反循環(huán)：從造腔外管與造腔內(nèi)管的環(huán)空注淡水，從造腔內(nèi)管排鹵水［9-11］。

氮?dú)庾枞茉烨痪钟衅涮厥庑裕獨(dú)饩哂锌蓧嚎s性，且造腔時(shí)井下壓力高［12］，對(duì)井口及井下密封性要求高，為保證造腔時(shí)氮?dú)獠恍孤陂y門應(yīng)采用氣密性閘閥，并在注水端和排鹵端分別設(shè)置緊急切斷閥(ESD)等設(shè)備。其管柱結(jié)構(gòu)和井口如圖1。

圖1 氮?dú)庾枞芄苤Y(jié)構(gòu)與井口示意圖Fig. 1 Schematic string structure and wellhead for nitrogen dissolution inhibitor

1.2 氣液界面控制

氮?dú)庾枞茉烨患夹g(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)氣液界面的控制，控制不好會(huì)使氣液界面以上鹽層提前被溶蝕，并導(dǎo)致目標(biāo)溶蝕層段未被充分溶蝕，影響最終腔體形狀，且腔體達(dá)不到設(shè)計(jì)體積。為防止氮?dú)庾枞茉烨贿^程中氣液界面上移，并將其控制在設(shè)計(jì)范圍，需定期對(duì)氣液界面進(jìn)行檢測。采用光纖界面儀和中子測井相結(jié)合的界面檢測技術(shù)，光纖界面儀日常檢測氣液界面位置，中子測井不定期校核光纖界面測試結(jié)果，確保界面檢測的準(zhǔn)確性。當(dāng)前氣液界面檢測精度可達(dá)0.5～1.0 m，滿足氮?dú)庾枞茉烨灰蟆?/p>

1.3 注氮工藝

在氮?dú)庾枞茉烨贿^程中，由于腔體擴(kuò)大和氮?dú)庠邴u水中的溶解，氮?dú)鈿鈮|會(huì)不斷上移，若想穩(wěn)定氣液界面，需在現(xiàn)場設(shè)置注氮設(shè)備隨時(shí)對(duì)氮?dú)膺M(jìn)行補(bǔ)充。注氮工藝根據(jù)注氮設(shè)備不同分為液氮泵車注氮工藝和地面注氮撬注氮工藝［13］。

液氮泵車注氮工藝優(yōu)點(diǎn)在于施工靈活，隨注隨走，工藝成熟，設(shè)備操作簡單，排量大，注氮快；缺點(diǎn)是為保證隨時(shí)往井下補(bǔ)氮，液氮泵車必須長期駐扎現(xiàn)場，占用人員及設(shè)備。地面注氮撬注氮工藝是在地面建設(shè)注氮撬，同時(shí)敷設(shè)注氮管線或建立液氮儲(chǔ)罐，優(yōu)點(diǎn)在于可通過設(shè)定的壓力或者流量等參數(shù)實(shí)現(xiàn)注氮自動(dòng)控制；缺點(diǎn)是費(fèi)用較高，如敷設(shè)注氮管線還存在管線泄漏風(fēng)險(xiǎn)。選擇注氮工藝時(shí)應(yīng)將滿足造腔工程需要放在首位，結(jié)合地面情況、造腔井?dāng)?shù)量、井距以及預(yù)算等綜合考慮。

2 氮?dú)庾⑷肓坑?jì)算

在氮?dú)庾枞茉烨贿^程中，氣液界面位置和氮?dú)庾⑷肓渴亲钪匾? 個(gè)參數(shù)，氣液界面位置可通過光纖界面儀和中子測井確定，氮?dú)庾⑷肓縿t需根據(jù)腔頂直徑和氮?dú)鈱雍穸扔?jì)算得到。鹽穴儲(chǔ)氣庫單井造腔周期可分為多個(gè)造腔階段，各造腔階段之間調(diào)整管柱深度、墊層位置和進(jìn)行聲納測腔，對(duì)于氮?dú)庾枞茉烨痪{(diào)整管柱和聲納測腔前，需將井下氮?dú)馔耆懦觯虼耍獨(dú)庾⑷肓靠煞譃樵烨浑A段初注氮量和造腔階段中補(bǔ)充注氮量。

2.1 造腔階段初注氮量

將氮?dú)庾枞茉烨贿^程中氮?dú)庠诰碌乃伎臻g分為3 部分，如圖2。根據(jù)造腔設(shè)計(jì)的不同，造腔階段開始時(shí)氣液界面可分為位于裸眼中和腔頂中2 種情況，當(dāng)氣液界面位于裸眼中時(shí)，氮?dú)獯嬖谟赩1和V2中，造腔階段初氮?dú)庠诰麦w積為

式中，Vc為氮?dú)庠诰麦w積，m3；V1為生產(chǎn)套管與造腔外管環(huán)空體積，m3；V2為裸眼井壁與造腔外管間環(huán)空體積，m3；D1和H1為生產(chǎn)套管內(nèi)徑和深度，m；D3為造腔外管外徑，m；D2為鉆頭直徑，m；k為井徑擴(kuò)大率，無因次；H2為氮?dú)庠诼阊鄱伍L度，m。

圖2 氮?dú)庠诰抡紦?jù)空間示意圖Fig. 2 Schematic downhole space occupied by the nitrogen

當(dāng)氣液界面位于腔頂中時(shí)，氮?dú)獯嬖谟赩1、V2和V3中，造腔階段初氮?dú)庠诰麦w積為

式中，V3為階段開始時(shí)腔頂?shù)獨(dú)鈮|層體積，m3；D4為階段開始時(shí)腔頂直徑，m；H3為腔體頂部鹽巖與鹵水之間的氮?dú)鈮|層厚度，m。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，假設(shè)氮?dú)獠蝗苡谒瑢⒕麦w積折算到地面，得造腔初井口注氮量計(jì)算式

式中，Qc為氮?dú)獾木谧饬浚琺3；T0為井口氣體絕對(duì)溫度，K；為井筒內(nèi)氣體平均壓力，MPa；為井筒氣體平均偏差系數(shù)，無因次；為井筒內(nèi)氣體平均絕對(duì)溫度，K；p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，0.101 MPa。

造腔階段初注氮時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加氮?dú)庾⑷肓浚脕硌a(bǔ)償?shù)獨(dú)庠邴u水中的溶解，緩解開井注水時(shí)由于壓力波動(dòng)、溫度變化造成的氣液界面上移。

2.2 造腔階段中補(bǔ)充注氮量

造腔階段結(jié)束時(shí)，氣液界面處于腔體頂部，氮?dú)獯嬖谟赩1、V2和V3中，如圖2。通過造腔模擬軟件確定階段結(jié)束時(shí)的腔頂直徑，此時(shí)氮?dú)庠诰麦w積為式中，V4為階段結(jié)束時(shí)腔頂?shù)獨(dú)鈮|層體積，m3；D5為造腔階段結(jié)束時(shí)腔頂直徑，m。

當(dāng)造腔階段初氣液界面位于裸眼中時(shí)，造腔階段中補(bǔ)充氮?dú)怏w積(井下)為

當(dāng)造腔階段初氣液界面位于腔頂中時(shí)，造腔階段中補(bǔ)充氮?dú)怏w積(井下)為

折算到地面，得造腔中期補(bǔ)充氮?dú)饬坑?jì)算式

某氮?dú)庾枞茉烨痪畴A段氮?dú)庾⑷肓繛殡A段初注氮量和階段中補(bǔ)充氮?dú)饬恐停摼烨凰杩偟獨(dú)饬繛楦髟烨浑A段氮?dú)庾⑷肓恐汀?/p>

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)井井況

X 井處于造腔期，已形成一定腔體體積，腔體形狀規(guī)則，見圖3。試驗(yàn)前腔頂直徑約10 m，累計(jì)采鹽14.1×104m3，聲納體積11.9×104m3，最大直徑78.9 m，其深度為1 042 m。為保證安全生產(chǎn)，暫時(shí)選擇該井后續(xù)2 個(gè)造腔階段進(jìn)行氮?dú)庾枞茉烨辉囼?yàn)，驗(yàn)證氮?dú)庾⑷肓坑?jì)算式。期間氣液界面穩(wěn)定，腔頂鹽巖得到氮?dú)獗Ｗo(hù)而不被溶蝕，腔體形狀按設(shè)計(jì)發(fā)展。

3.2 造腔模擬和注氮量計(jì)算

根據(jù)腔體氮?dú)庾枞芮八鶞y得的聲納數(shù)據(jù)和基于該聲納數(shù)據(jù)更新后的造腔設(shè)計(jì)，利用造腔模擬軟件WinUbro 進(jìn)行造腔模擬，見圖4，并擬合不溶物含量和溶蝕速率，得到后續(xù)造腔階段腔體形狀、腔頂直徑變化等，計(jì)算后續(xù)2 個(gè)氮?dú)庾枞茉烨辉囼?yàn)階段的注氮量。該井生產(chǎn)套管下深929 m，內(nèi)徑0.221 m，造腔外管外徑0.114 mm，鉆頭直徑0.311 m，井徑擴(kuò)大率10%，第1 階段氣液界面位于腔頂中，腔頂直徑約10 m，深度987 m，第2 階段氣液界面位置為972 m，井筒內(nèi)氣體平均壓力取16 MPa，井筒內(nèi)氣體平均絕對(duì)溫度303.15 K，井筒氣體平均偏差系數(shù)1.033，計(jì)算得到后續(xù)2 個(gè)造腔階段氮?dú)庑枨罅浚姳?。

圖3 X 井試驗(yàn)前三維顯示圖Fig. 3 3D image of Well X before the test

圖4 造腔模擬結(jié)果Fig. 4 Simulation result of solution mining

表1 氮?dú)庑枨罅坷碚撚?jì)算Table 1 Theoretical calculation of nitrogen demand

3.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)第1 階段采用液氮泵車注氮，第2 階段采用地面注氮撬注氮，注氮前連接泵車/注氮撬與井口并試壓，檢查流程后打開井口注氮閘閥，開啟注氮泵，向生產(chǎn)套管與造腔外管環(huán)空注氮，注入過程記錄井口壓力、溫度、注氮量等參數(shù)，并利用光纖界面儀檢測氣液界面位置。氣液界面達(dá)到設(shè)計(jì)位置后停止注氮，關(guān)閉注氮閘閥進(jìn)行試壓，若試壓失敗，則需要找到泄漏點(diǎn)進(jìn)行處理，直到試壓合格。試壓合格后開井進(jìn)行氮?dú)庾枞茉烨辉囼?yàn)，期間根據(jù)光纖界面儀和中子測井監(jiān)測氣液界面情況，若氣液界面出現(xiàn)上移，則補(bǔ)充氮?dú)猓箽庖航缑嬉恢北３衷谠O(shè)計(jì)深度。

3.4 結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)前聲納數(shù)據(jù)，該井試驗(yàn)前腔頂窗口已打開，腔頂直徑約10 m，第1 階段造腔120 d，排量為80 m3/h，階段初注氮4 410 m3，階段中補(bǔ)氮9 525 m3，階段總注氮13 935 m3。第2 階段造腔109 d，排量為80 m3/h，階段初注氮2 895 m3，階段中補(bǔ)氮1 000 m3，階段總注氮3 895 m3。造腔期間氣液界面穩(wěn)定，腔頂鹽巖在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下未被溶蝕，試驗(yàn)結(jié)束后經(jīng)聲納測量，腔體體積增加約5×104m3，腔體形狀規(guī)則，和造腔軟件模擬結(jié)果基本一致，見圖5。腔體最大直徑小于80 m，滿足穩(wěn)定性要求。

圖5 造腔設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig. 5 Comparison between solution mining design and test result

氮?dú)庾枞茉烨辉囼?yàn)期間實(shí)際注氮量與理論計(jì)算值對(duì)比見表2。

表2 實(shí)際注氮量與理論計(jì)算值對(duì)比Table 2 Comparison between actual nitrogen injection andtheoretical calculation result

氮?dú)庾⑷肓坷碚撚?jì)算值比實(shí)際值偏低。計(jì)算式未考慮氮?dú)庠邴u水中的溶解，壓力、溫度取井筒平均值，未考慮在造腔過程中氮?dú)怆S鹵水排出造成的損耗，光纖界面儀測量也存在誤差，不能準(zhǔn)確測量氮?dú)鈮|層厚度。將計(jì)算式考慮10%～20%的氮?dú)鈸p耗后，與實(shí)際注入量基本相符。另外，在現(xiàn)場注氮過程中，考慮經(jīng)濟(jì)成本后，建議適當(dāng)多注氮?dú)鈦肀Ｗo(hù)腔頂。

4 結(jié)論

鹽穴儲(chǔ)氣庫氮?dú)庾枞茉烨患夹g(shù)不會(huì)對(duì)鹵水和造腔井周圍環(huán)境造成污染，阻溶效果好，能滿足造腔建庫需要。針對(duì)造腔過程中氣液界面在裸眼和腔頂中兩種情況，給出了氮?dú)庾⑷肓坑?jì)算式，并在金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫X 井進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。考慮10%～20%的氮?dú)鈸p耗后，計(jì)算得到的注氮量與實(shí)際注入量相符。注氮時(shí)建議適當(dāng)多注氮?dú)庖员Ｗo(hù)腔頂。試驗(yàn)過程中氣液界面穩(wěn)定，腔體體積增加約5×104m3，腔體形狀規(guī)則，與設(shè)計(jì)基本一致。