采鹵老腔改建鹽穴儲氣庫關鍵技術及應用

2021-12-08 09:04:20郭文朋侯曉璐杜彩霞

特種油氣藏 2021年5期

石悅,郭文朋,徐寧,侯曉璐,趙媛,杜彩霞

(1.山西能源學院，山西太原 030006;2.山西天然氣有限公司，山西太原 030032;3.中國石油大學(北京)，北京 102249;4.山西壓縮天然氣集團有限公司，山西太原 030032)

0 引言

鹽穴儲氣庫是利用地下鹽層或鹽丘建設的天然氣儲氣庫，具有注采頻次高、工作氣比例高等優點，全球地下儲氣庫總工作氣量的9%分布于鹽穴型地下儲氣庫，為天然氣的調峰保供發揮重要作用[1]。目前已有報道中，僅江蘇金壇有單井單腔采鹵老腔改建鹽穴儲氣庫的案例，但國內外暫無對流井老腔改建地下儲氣庫成功并投產的案例。中國鹽礦開采最早以單井單腔為主，從20世紀70年代起逐漸使用對流井采鹽，目前鹽礦存在的對流井采鹵老腔體量龐大，僅湖北云應、河南平頂山等地就擁有上百個對流井采鹵老腔。由于鹽穴儲氣庫的造腔工程耗時長、投資大[2-3]，往往需要3～5 a才可以形成儲氣腔體，如能將已有對流井采鹵老腔直接改建為鹽穴儲氣庫，則會大大降低工程周期，短時間內實現巨大的儲氣庫規模，經濟效益十分可觀[4]。因此，在總結已有采鹵老腔改建鹽穴儲氣庫經驗的基礎上[5-7]，進一步對對流井采鹵老腔改建儲氣庫的關鍵技術進行分析，梳理了相關技術要求并提出合理的評價建議，以期對對流井采鹵老腔改建儲氣庫的工程提供指導。

1 對流井采鹵老腔改建鹽穴儲氣庫的基本條件

中國已經形成較為成熟的鹽穴儲氣庫造腔工藝技術，通過調整界面位置來控制腔體形狀，形成的腔體體積及穩定性可以滿足儲氣庫注采氣運行，但對于采鹵老腔，其腔體體積、密封性、穩定性等條件是否適用于注采氣，需要對已有的腔體進行綜合評價[8-10]，且對于對流井采鹵老腔而言，改建地下儲氣庫的基本條件還應包括：①地質上處于構造穩定區，周邊斷層及裂縫發育少、規模小、無活動情況；②鹽巖埋層適中、厚度較大、分布穩定、鹽巖體品質高；③鹽巖蓋層分布穩定、厚度大、巖性致密、孔隙度小、滲透率低；④腔體形態較為規則，穩定性好，頂底板厚度、礦柱寬度滿足安全要求；⑤鹽腔單腔體積滿足一定要求，總體規模應具有一定的經濟效益。

地下儲氣庫主要分為枯竭油氣藏儲氣庫、鹽穴儲氣庫、含水層儲氣庫、廢棄礦坑儲氣庫4類，不同種類的地下儲氣庫具有不同的地質條件要求，但在地面上的要求基本一致：①地理位置上盡可能靠近天然氣輸氣干線和天然氣消費市場；②井口與鐵路、公路以及學校、醫院、油庫等人口密集區或高危場所等的距離滿足相關安全距離要求。

2 對流井采鹵老腔改建鹽穴儲氣庫的關鍵技術

2.1 對流井采鹵老腔密封性測試技術

對流井采鹵老腔的密封性是改建鹽穴儲氣庫的決定性因素。目前較為成熟的測試方式為使用飽和鹵水進行試壓，試壓前根據鹽腔條件及鹵水數據確定試壓壓力，一般不應超過套管鞋所處地層最小主應力值的80%，并且還需將其折算為井口處壓力值[11]，如式(1)所示。如無法取得最小主應力值，推薦按照經驗壓力梯度計算，如式(2)所示。

p1=p0×80%-ρgH×10-6

(1)

p2=GH-ρgH×10-6

(2)

式中：p1為通過套管鞋所處地層推算出的最高試壓壓力，MPa；p0為套管鞋所處地層最小主應力值，MPa；ρ為飽和鹵水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為腔頂所處地層深度，m；p2為通過經驗壓力梯度推算出的最高試壓壓力值，MPa；G為經驗壓力梯度，取0.017 MPa/m。

通常單井單腔的采鹵老腔采用壓力-流量綜合評估法來判斷試壓是否合格，不同礦區的埋深不同，注水排量、試壓時長、試壓壓力均存在較大差異，因此，僅舉例用于展示變化趨勢，如圖1所示。觀察期間內，隨著時間推移，井口壓力會有所下降，需額外注入鹵水以補充漏失量，從而保證壓力穩定。如果井口壓力下降幅度和日注水量隨測試次數的增加而逐漸變小，最終達到小于變化臨界值并保持穩定，則該腔體試壓合格。中國利用該方法篩選的單井腔體全部改造成功，密封性良好。

圖1 腔體壓力-流量密閉性綜合測試曲線Fig.1 The comprehensive test curve of cavity pressure vs flow confinement

對于對流井采鹵老腔，試壓過程中發生漏失的位置可能發生在腔體本身、井筒、井口閘門等，尤其是對于采鹽井井筒，設計之初并未考慮要進行儲氣改造，井筒密封性往往較差，所以采用以上標準可能會對符合條件的腔體產生誤判。故提出針對對流井采鹵老腔，將以上評價條件放寬為：觀察期間內井口壓力和漏失量的下降幅度經過多次測試有明顯的變小趨勢，則可以認為該腔體初評合格。

2.2 對流井采鹵老腔穩定性分析技術

腔體的穩定性分析是評價腔體運行制度的重要方法。主要是利用腔體的形態模型，利用數值模擬的方法進行評價。利用已有數據建立模型，模型應包括鹽腔所在地層中關鍵地層、腔體、邊界和載荷條件，模型尺寸適中，既能滿足計算效率又能夠邊界效應降低到最小，地層物性參數宜根據已有室內實驗數據和現場監測反演結果進行綜合選取；針對影響鹽腔穩定性的各項因素，開展不同運行制度方案下的模擬計算，根據模型計算結果，針對鹽腔拉張應力、塑性變形、穿刺泄露、蠕變量、套管鞋應變、地面沉降等因素進行評價，反映鹽巖、鹽腔和套管鞋的相關特征，結合適當的臨界安全值，提出滿足鹽腔穩定性要求的運行方案和建議[12-14]。

生產實踐中，單井單腔的腔體形態主要依靠聲吶測試獲得，聲吶測試后報告包括：腔體深度、各主要水平剖面直徑和圖表、最大水平剖面直徑和圖表、各主要垂直剖面圖表、腔體的體積、腔體的三維圖像等。然而對于對流井采鹵老腔，目前聲吶探頭無法對腔體的水平連通段進行形態檢測，無法直接獲得對流井采鹵老腔的形態，因此，需要改進測試方式。建議通過2口老井2次下入聲吶儀器進行測試，分別測得2口老井井下對應的腔體形態，再通過采鹽量數據計算模擬中間連通段，結合測得的2個腔體形態，模擬獲得對流井采鹵老腔的整體形態。

2.3 對流井采鹵老腔井筒改造技術

對流井采鹵老腔起初并未考慮儲氣，經過多年的采鹵制鹽，井筒大多密封不嚴，需對井筒進行改造。井筒改造應保證腔體、井筒、地層三者間的有效密封，改造后井筒的天然氣注入和采出能力滿足建庫需求[11]。根據鹽腔、井筒條件，結合改造要求，從封堵原井筒后鉆新井或套銑原井筒后新套管固封2種方式中選擇適合的井筒改造方式。已有研究表明[15]，對于對流井采鹵老腔可采取封堵原有2口老井，并在通道中間再打1口排鹵新井的改造工藝。新井井型宜采用直井，打穿腔頂，與腔體連通，采用定向井時，生產套管以上垂直井段應保證不少于60 m(圖2)。

圖2 對流井采鹵老腔井筒改造示意圖

封堵原井筒并新鉆井作業過程中宜遵守以下技術要求：①鍛銑層位至少應封隔蓋層及蓋層以上的第1個滲透性地層；②擠注水泥作業，需分段進行，待每一段測試合格后方可進行下一鍛銑井段的注水泥作業，各層套管固井水泥漿均應返至地面；③新鉆井應滿足最大注采能力、注氣排鹵及周期性注采要求；④生產套管進入鹽層垂直深度宜大于15 m；⑤生產套管依據接觸流體介質的腐蝕性能、溫度、壓力等因素優選材質，生產套管及附件應采用氣密封螺紋，附件機械性能與套管匹配；⑥套管柱強度設計應滿足注采井井筒氣密封性檢測的要求。

2.4 對流井采鹵老腔氣密封測試技術

對流井采鹵老腔的氣密封測試是改建成功與否的重要評判標準[6,15]。一般使用氮氣作為檢測氣體，檢測期間生產管鞋處所承受的最大壓力為儲氣庫運行設計上限壓力的1.1倍，但小于套管最小內屈服壓力的80%。根據記錄的氣水界面深度、井口氣體壓力和溫度等參數計算泄漏率：

(3)

式中：ΔQ泄漏為一段時間后氣體泄漏率，m3/h；ΔVcs為套管鞋處鹽腔泄漏的壓縮體積，m3；pcs為套管鞋處鹽腔的壓力，MPa；Tstd為標準狀況下的溫度，K；Tcs為套管鞋處鹽腔溫度，K；pstd為標準狀況下的壓力，MPa；Δt為時間，h。

套管鞋處鹽腔泄漏的壓縮體積按照以下公式計算：

(4)

式中：Hi為第i時刻氣水界面深度，m；Hi+1為第i+1時刻氣水界面深度，m；Dwell為鹽腔脖頸處的直徑，m；Dcasing為檢測管柱的外徑，m。

繪制24 h內泄漏速率與時間的關系曲線，根據泄漏速率與時間的關系曲線和氣水界面深度變化數值，對井筒及鹽腔密封性進行評價。一般評價標準遵循以下原則：①氣體泄漏速率隨時間逐漸減小，并趨近于零，如圖3所示；②在24 h檢測時間內，氣水界面深度變化小于1 m。如檢測結果同時符合2個原則，表明井筒或鹽腔密封性合格；如檢測結果不符合原則①，說明井筒或鹽穴密封性不合格；如檢測結果符合原則①，不符合原則②，應延長檢測時間，分析后確定井筒或鹽腔密封性。

圖3 氣體泄漏速率隨時間變化關系曲線

3 現場應用

為驗證以上關鍵技術的可行性，選取淮安地區某鹽礦的對流井采鹵老腔進行改造(圖4)。鹽礦周邊交通發達，為鹽田的開發提供了有利條件。該鹽礦所處的凹陷先后沉積了胡崗組(K2h)、玉皇頂組(E2y)、大倉房組(E2d)、核桃園組(E2h)、廖莊組(E3l)、上寺組(Nsh)、平原組(Qp)，鹽巖蓋層分布穩定，品質高。鹽礦位于中—新生代斷陷盆地，是一個呈狹長形展布的斷陷鹽湖盆地，處于構造穩定區，周邊斷層及裂縫發育少、規模小、無活動情況發生。

圖4 國內某鹽礦交通位置

選取其中A-B井，該對流井于2007年年底開始采鹵，截至2017年5月，共注水737.5×104m3，采鹵量為678.1×104m3，鹵水質量濃度為300 g/L左右，折算采鹽體積為94.2×104m3，平均NaCl含量為55%，估算動用含鹽地層地下空間體積為171.2×104m3。2口井中A井為直井，管柱初始下入深度為1 448 m，造腔過程中進行管柱切割作業，目前管柱位置為1 304 m，管柱共上提144 m；B井為斜井，初始下入垂深約為1 490 m，采鹵過程中斜井段已經切割，目前管柱位置為1 272 m，管柱共上提218 m。

為評價該對流井采鹵老腔的密封性，對該對流井采鹵老腔共注水升壓10次，注水井壓力變化為3.258～3.478 MPa，平均壓降為0.001～0.004 MPa/h。雖然觀察期間內井口壓力和漏失量的下降幅度經過多次測試未能達到一個穩定的水平，但有明顯變小的趨勢，如圖5所示。分析認為下降原因可能為注入清水溶鹽造成，該腔體密封性較好，可初步判定滿足改造條件。

圖5 采鹵老腔鹵水試壓曲線

經過初評后，該腔體分別進行了穩定性評價和井筒改造等一系列技術應用。對于腔體的穩定性評價技術仍然沿用單井單腔的評價指標，由于設備所限，目前無法直接測得對流井采鹵老腔的腔體形態，實際形態較難刻畫，在建模過程中進行了理想化處理，經過穩定性評價后，認為盡管腔體形狀較為復雜，但各項指標仍然滿足儲氣條件。

為了保證儲層或腔體的密封性，防止儲層天然氣發生氣竄或沿管外氣竄，將原有2口老井進行封堵。具體施工步驟為：測井并在井底套管完好井段或合適位置建立人工井底(封隔器)；鍛銑下部套管200～300 m；注水泥封堵鍛銑井段，候凝；試壓合格后，全井段封堵，候凝；試壓合格后，安裝簡易井口裝置(圖6)，便于檢測井筒內壓力變化。新建注氣井井型采用直井井型，該井必須同時滿足注采、造腔和鉆井安全的需要，在鹽穴儲氣庫的建設中，井眼建成后需要進行注采氣生產作業，注采氣則采用另外一套管柱來滿足防腐和安全注采的需要，綜合考慮目前中國鹽穴儲氣庫建設現狀及當前技術情況，生產套管尺寸確定為Φ244.5 mm。

圖6 老井封堵作業方案

在注采完井工程結束，鹽穴開始首次注氣之前，必須進行氣密試驗，目的為檢驗注采完井下入的注采管柱和排鹵管柱及其上的封隔器等附件的密封性能以及套管鞋處穩定性，防止注氣過程中出現管柱泄漏的情況。試壓壓力為氣庫運行上限壓力的1.1倍，測試原理圖見圖7。由于該井仍在采鹽生產期，距離儲氣還有相當長一段時間，還未進行氣密封試壓技術的應用。