完顏祺琪 丁國(guó)生 趙 巖 李 康 鄧金根 鄭雅麗

1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京） 2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司油氣地下儲(chǔ)庫(kù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 4.中國(guó)石油西氣東輸管道公司

鹽穴型地下儲(chǔ)氣庫(kù)（以下簡(jiǎn)稱鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)）是重要的儲(chǔ)氣調(diào)峰設(shè)施，尤其在缺乏氣藏建庫(kù)目標(biāo)但地下鹽礦資源較為富集的南方地區(qū)，是地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的首選目標(biāo)。金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)是我國(guó)第一座鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)，2001年開(kāi)始啟動(dòng)前期研究與評(píng)價(jià)，2007年開(kāi)始投入運(yùn)行，經(jīng)過(guò)十余年的建設(shè)與運(yùn)行，工作氣量超過(guò)6×108m3，日采氣能力突破1×107m3，為保障長(zhǎng)三角地區(qū)安全平穩(wěn)供氣做出了重要貢獻(xiàn)。楚州、平頂山、云應(yīng)等鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)目前處于可行性研究階段，已開(kāi)展了夾層垮塌、雙井造腔等先導(dǎo)性技術(shù)試驗(yàn)。通過(guò)總結(jié)金壇等鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的設(shè)計(jì)與建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[1-4]，全面更新設(shè)計(jì)理念，形成了鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)評(píng)價(jià)技術(shù)序列，重點(diǎn)論述了選址評(píng)價(jià)、造腔設(shè)計(jì)與控制、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及庫(kù)容參數(shù)設(shè)計(jì)、老腔篩選及利用、氣庫(kù)運(yùn)行及監(jiān)測(cè)等5項(xiàng)特色關(guān)鍵技術(shù)，利用這些技術(shù)指導(dǎo)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)方案設(shè)計(jì)與礦場(chǎng)實(shí)施，并分析了技術(shù)應(yīng)用效果。

1 選址評(píng)價(jià)技術(shù)

在同一含鹽盆地的不同位置，鹽層的埋深、沉積厚度和鹽巖品位等參數(shù)存在較大差異。因此，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)選址評(píng)價(jià)工作的目的是選出含鹽盆地的最優(yōu)質(zhì)鹽層。選址評(píng)價(jià)是以構(gòu)造研究和沉積學(xué)研究為基礎(chǔ)，以地震勘探、測(cè)井分析為手段，對(duì)鹽層的沉積特征、鹽層空間展布控制因素及分布規(guī)律、夾層的性質(zhì)及分布規(guī)律、鹽層頂?shù)椎貙用芊庑?，以及與鹽體有關(guān)的斷裂特征等進(jìn)行精細(xì)地質(zhì)評(píng)價(jià)。在金壇、平頂山、楚州等鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的評(píng)價(jià)與建設(shè)過(guò)程中，形成了高精度三維地震解釋和含鹽地層巖性識(shí)別等特色技術(shù)[5]。

1.1 高精度三維地震解釋技術(shù)

為了落實(shí)含鹽地層的構(gòu)造與沉積展布特征，選出遠(yuǎn)離斷裂發(fā)育帶、埋深適中和含鹽地層厚度較大的區(qū)塊作為有利建庫(kù)地質(zhì)區(qū)，需對(duì)含鹽盆地進(jìn)行三維地震采集與處理解釋?zhuān)_定含鹽地層的三維空間展布特征。高精度三維地震解釋技術(shù)以精細(xì)層位標(biāo)定技術(shù)、相干體與曲率體斷層解釋技術(shù)、地震屬性及地震反演技術(shù)為代表，可有效識(shí)別厚度5 m以上的鹽層、斷距10 m以上的斷層，精細(xì)準(zhǔn)確刻畫(huà)含鹽地層的三維空間展布特征。通過(guò)建立三維地震構(gòu)造模型和巖相模型與屬性模型，有效指導(dǎo)了金壇、平頂山、楚州、云應(yīng)等鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的建庫(kù)區(qū)塊層段選擇。

1.2 含鹽地層巖性識(shí)別技術(shù)

我國(guó)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)地質(zhì)條件以陸相層狀鹽巖為主，巖性組合復(fù)雜多變，存在鹽巖、硬石膏和鈣芒硝等多種巖性礦物。準(zhǔn)確鑒定礦物組合與含量，是確定鹽層水溶速率、設(shè)計(jì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)水溶方案的基礎(chǔ)。含鹽地層巖性識(shí)別技術(shù)主要通過(guò)分析不同礦物電測(cè)曲線特征，建立測(cè)井解釋模型和巖性識(shí)別圖版。以云應(yīng)地區(qū)測(cè)井解釋為例，采用聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子、體積密度3條測(cè)井曲線，建立了鹽巖、硬石膏和鈣芒硝的測(cè)井曲線識(shí)別響應(yīng)特征，定量計(jì)算出礦物組分含量。通過(guò)測(cè)井精細(xì)標(biāo)定解釋?zhuān)@得造腔段不溶物平均含量為49%，將理論計(jì)算與實(shí)際聲吶測(cè)腔結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者較吻合。該方法為后期造腔方案調(diào)整及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施提供了可靠依據(jù)。

2 造腔設(shè)計(jì)及控制技術(shù)

與鹽化企業(yè)采鹵制鹽不同，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的造腔設(shè)計(jì)目標(biāo)是高效利用鹽層建造儲(chǔ)氣空間，并兼顧腔體有效體積最大化、腔體形態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、排鹵濃度符合要求等多項(xiàng)原則。因此，需充分考慮層狀鹽巖的水溶造腔機(jī)理，綜合評(píng)價(jià)各種地質(zhì)因素與工程因素對(duì)造腔過(guò)程的影響，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)造腔施工方案，及時(shí)跟蹤動(dòng)態(tài)調(diào)整造腔工藝參數(shù)，有效控制腔體形態(tài)發(fā)展方向。

2.1 造腔設(shè)計(jì)技術(shù)

造腔數(shù)值模擬技術(shù)是進(jìn)行鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔設(shè)計(jì)的主要手段。該技術(shù)是在分析工區(qū)地質(zhì)參數(shù)（建庫(kù)層位、NaCl含量、不溶物含量、膨脹率）和水溶參數(shù)（上溶速率、側(cè)溶速率、側(cè)溶角）的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立造腔數(shù)值模型，并優(yōu)化造腔參數(shù)[循環(huán)方式、管柱提升次數(shù)、兩口距（造腔中間管端口與中心管端口之間距離）、油墊位置、注水排量、溶蝕天數(shù)等]，實(shí)現(xiàn)腔體設(shè)計(jì)目標(biāo)（腔體體積最大化、腔體形態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、出鹵濃度符合鹵水接收企業(yè)要求）的數(shù)值模擬過(guò)程。

造腔數(shù)值模擬技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法為：使用造腔數(shù)值模擬軟件，將造腔過(guò)程分解為數(shù)個(gè)階段，通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)階段的造腔時(shí)間、注水排量、兩口距、墊層位置等參數(shù)，進(jìn)行大量造腔方案比選，優(yōu)選制定造腔方案。通常在造腔初期階段采用小排量、正循環(huán)建槽以容納不溶物殘?jiān)泻笃诓捎么笈帕糠囱h(huán)造腔以提高排鹵濃度、加快造腔進(jìn)度，并通過(guò)調(diào)控兩口距與墊層距離，調(diào)節(jié)腔體內(nèi)鹵水濃度分布模式，實(shí)現(xiàn)腔壁不同位置的差異溶蝕，有效控制腔體形態(tài)擴(kuò)展方向。依托金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)，國(guó)內(nèi)單井造腔數(shù)值模擬技術(shù)已基本成熟。針對(duì)層狀鹽巖夾層對(duì)鹽腔形態(tài)、穩(wěn)定性等產(chǎn)生的不利影響[6-7]，借鑒國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，形成了適合層狀鹽巖的造腔數(shù)值模擬技術(shù)。應(yīng)用該技術(shù)，編制完成金壇儲(chǔ)氣庫(kù)造腔方案，相關(guān)參數(shù)如表1所示，部署新腔井50余口，已建的10余口鹽腔最終形態(tài)與設(shè)計(jì)形態(tài)的符合率逾90%。

造腔物理模擬技術(shù)是造腔設(shè)計(jì)的輔助手段。該技術(shù)可通過(guò)室內(nèi)尺度的相似性物理模擬實(shí)驗(yàn)[8]，模擬不同工況注采循環(huán)的造腔過(guò)程，得到水溶造腔的溶蝕特征規(guī)律，與造腔數(shù)值模擬軟件模擬結(jié)果相互驗(yàn)證，加深水溶造腔機(jī)理認(rèn)識(shí)，為造腔設(shè)計(jì)與控制提供有效指導(dǎo)。同時(shí)，伴隨著鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)目標(biāo)向薄鹽層、低品位領(lǐng)域拓展，傳統(tǒng)水溶造腔數(shù)值模擬軟件無(wú)法模擬定向?qū)泳?、水平井等新造腔工藝的?wèn)題愈加突出。通過(guò)造腔物理模擬技術(shù)，可在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)巖心尺度的小型定向?qū)泳?、水平井造腔過(guò)程模擬，為研發(fā)水平井等造腔新工藝提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

表1 金壇儲(chǔ)氣庫(kù)造腔方案參數(shù)表

2.2 造腔形態(tài)控制技術(shù)

造腔形態(tài)控制指在造腔過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)方式、兩口距、墊層位置、管柱提升次數(shù)、注水排量和溶腔時(shí)間等造腔參數(shù)，控制腔體形態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)，最大限度地使實(shí)際腔體形態(tài)吻合設(shè)計(jì)形態(tài)。在金壇、云應(yīng)、淮安等鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的造腔過(guò)程與造腔先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)中[9]，通過(guò)研究不同造腔工藝參數(shù)對(duì)造腔形態(tài)、造腔速度和造腔周期等的影響規(guī)律，形成了層狀鹽巖造腔工藝控制技術(shù)，建立了造腔工藝控制技術(shù)流程，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)。金壇儲(chǔ)氣庫(kù)腔體形態(tài)控制經(jīng)驗(yàn)：①建槽期宜采用正循環(huán)造腔方式，造腔期宜采用正循環(huán)或者正反循環(huán)結(jié)合方式；②造腔初期采用小排量，隨著腔體體積增大，逐步加大排量，以該儲(chǔ)氣庫(kù)采用?177.8 mm＋?114.3 mm管柱組合而言，最高排量不宜超過(guò)100 m3/h；③管柱提升次數(shù)介于6～10次，根據(jù)鹽腔形態(tài)發(fā)展，及時(shí)調(diào)整管柱位置；④造腔初期采用較小兩口距，擴(kuò)大鹽腔直徑，隨著鹽腔高度增加，適當(dāng)增加兩口距，有利于鹽腔快速發(fā)展；⑤造腔初期墊層位置提升高度宜小于20 m，以擴(kuò)大鹽腔底部直徑，造腔中期增加墊層提升高度，造腔末期墊層提升高度降低至10 m以下，有利于形成穹狀腔頂。

2.3 夾層垮塌控制技術(shù)

我國(guó)層狀鹽巖多以薄鹽層、多夾層、不溶物含量高為特征，通常含有厚度10 m左右的夾層。厚夾層的存在限制了造腔層段的選擇范圍，如能掌握夾層垮塌機(jī)理、控制夾層垮塌過(guò)程，可提高鹽層利用率、擴(kuò)大腔體體積。在淮安等鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的評(píng)價(jià)過(guò)程中，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)學(xué)模型建立、穩(wěn)定性數(shù)值模擬等方法，初步掌握了夾層垮塌機(jī)理、影響因素與控制模式，形成了增大夾層騰空跨度、加快垮塌的夾層垮塌控制技術(shù)并成功應(yīng)用于礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。在淮安鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)中，在夾層上、下鹽層內(nèi)分別建槽，增大了夾層垮塌跨距，實(shí)現(xiàn)了夾層快速垮塌，解決了厚夾層鹽巖造腔難題，成功應(yīng)用于淮安鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔工程設(shè)計(jì)并實(shí)施[10]，該技術(shù)可增加淮安鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)單腔有效體積1.6×104m3，提高單腔工作氣量15%。

3 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及庫(kù)容參數(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)

為了保障鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)在長(zhǎng)期高強(qiáng)度往復(fù)交變注采工況下最大限度地保持腔體形態(tài)穩(wěn)定安全，降低腔體坍塌變形失效風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，合理設(shè)計(jì)氣庫(kù)運(yùn)行壓力區(qū)間，優(yōu)化礦柱寬度和頂?shù)装寰嚯x等安全參數(shù)，精細(xì)評(píng)價(jià)腔體周?chē)鷳?yīng)力應(yīng)變展布狀況，科學(xué)預(yù)測(cè)腔體長(zhǎng)期運(yùn)行之后的鹽腔穩(wěn)定性與收斂率，制訂高效合理的庫(kù)容運(yùn)行參數(shù)。

3.1 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)

測(cè)全、測(cè)準(zhǔn)含鹽地層的巖石力學(xué)參數(shù)是開(kāi)展穩(wěn)定性數(shù)值模擬評(píng)價(jià)的前提。準(zhǔn)確測(cè)定含鹽地層巖石力學(xué)參數(shù)，建立符合工區(qū)實(shí)際工況的巖石力學(xué)模型，才能保障鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定性數(shù)值模擬評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度，科學(xué)合理地制訂鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)安全參數(shù)。含鹽地層巖石力學(xué)參數(shù)包括抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、楊氏模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角和鹽巖蠕變率等，主要通過(guò)單軸和三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、界面剪切試驗(yàn)和蠕變?cè)囼?yàn)等試驗(yàn)測(cè)得。為了更準(zhǔn)確地研究巖樣的力學(xué)損傷過(guò)程，引入了聲發(fā)射測(cè)試觀測(cè)方法，再現(xiàn)了樣品損傷的微觀起始點(diǎn)出現(xiàn)到宏觀破壞的整個(gè)發(fā)展過(guò)程，加深了對(duì)巖層破裂機(jī)理的理解。為了提高鹽巖蠕變率預(yù)測(cè)精度，建立了長(zhǎng)周期（3～6個(gè)月）鹽巖蠕變?cè)囼?yàn)測(cè)試方法，采用分級(jí)應(yīng)力加載方式，測(cè)試不同壓力下鹽巖的蠕變特性，以反映鹽巖的真實(shí)蠕變特征。為了加強(qiáng)對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)全周期運(yùn)行過(guò)程的理解，形成了鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)全周期大型物理模擬技術(shù)。該技術(shù)采用相似材料模擬含鹽地層巖石力學(xué)特征，采用氣囊模擬鹽腔，建立室內(nèi)大型鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)物理模擬模型。通過(guò)對(duì)模型施加持續(xù)壓力模擬真實(shí)地應(yīng)力狀態(tài)，并在腔壁設(shè)置傳感器監(jiān)測(cè)腔體壓力與應(yīng)力變化，評(píng)價(jià)儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)營(yíng)期間注采氣周期頻繁交替對(duì)鹽腔長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響，提高對(duì)鹽腔長(zhǎng)周期蠕變機(jī)理的理解。

3.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)數(shù)值模擬技術(shù)

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)數(shù)值模擬評(píng)價(jià)技術(shù)是采用彈塑性力學(xué)理論和數(shù)值計(jì)算方法，從研究巖體的應(yīng)力應(yīng)變與位移的角度出發(fā)，建立穩(wěn)定性評(píng)價(jià)數(shù)值模擬模型（圖1），分析、評(píng)價(jià)鹽腔在特定注采工況下的穩(wěn)定性狀況。

圖1 鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)數(shù)值模擬圖

數(shù)值模擬評(píng)價(jià)技術(shù)主要包括單腔、腔群和地面沉降3大類(lèi)，評(píng)價(jià)內(nèi)容包括優(yōu)選鹽腔形態(tài)、確定運(yùn)行壓力、設(shè)計(jì)相鄰鹽腔安全距離、判斷腔周應(yīng)力應(yīng)變分布范圍、預(yù)測(cè)腔體收縮率和論證地面沉降安全性等，評(píng)價(jià)的方法主要包括靜力模擬、恒壓流變模擬和注采運(yùn)行模擬，其中靜力模擬和恒壓流變模擬主要用于優(yōu)選鹽腔形態(tài)和上下限壓力區(qū)間；注采運(yùn)行模擬主要用于確定運(yùn)行壓力具體值、套管鞋位置、相鄰鹽腔安全距離及論證地面沉降安全性、判斷腔周應(yīng)力應(yīng)變分布范圍和預(yù)測(cè)腔體收縮率（圖2）。在平頂山等儲(chǔ)氣庫(kù)評(píng)價(jià)過(guò)程中，通過(guò)鹽穴穩(wěn)定性評(píng)價(jià)數(shù)值模擬技術(shù)，論證落實(shí)平頂山儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行壓力區(qū)間，將平頂山建庫(kù)深度由1 200 m向下延伸至2 000 m，拓展了中深層鹽層建庫(kù)的新領(lǐng)域。設(shè)計(jì)工作氣量由2×108m3提高至26×108m3，極大提高了儲(chǔ)氣庫(kù)工作氣量。

圖2 鹽腔體積收縮率與時(shí)間關(guān)系圖

3.3 庫(kù)容參數(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)

庫(kù)容參數(shù)設(shè)計(jì)是根據(jù)鹽腔的體積和壓力數(shù)據(jù)，計(jì)算腔體的單腔有效體積、庫(kù)容量、墊氣量與工作氣量，由此計(jì)算分析鹽腔的注采氣能力，進(jìn)行注采熱動(dòng)力模擬，制訂合理的注采方案。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)注采過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的熱動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，天然氣、注采管柱、井壁和溶腔圍巖在注采過(guò)程中會(huì)不斷進(jìn)行熱量的交換[11]。這種熱能的交換對(duì)溶腔內(nèi)部的壓力和注采氣能力都會(huì)產(chǎn)生較大的影響。注采運(yùn)行熱動(dòng)力模擬與預(yù)測(cè)通過(guò)應(yīng)用工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)和流體力學(xué)基礎(chǔ)理論，對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的構(gòu)造和實(shí)際運(yùn)行過(guò)程，分別建立井筒連續(xù)流動(dòng)及熱傳導(dǎo)模型、溶腔熱傳導(dǎo)模型和天然氣水合物形成條件模型，并建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型的邊界條件，編制相應(yīng)的計(jì)算程序，通過(guò)熱動(dòng)力模擬，能夠分析在各種采氣條件下溶腔內(nèi)部和井口的溫度、壓力變化，以及開(kāi)采過(guò)程中天然氣水合物形成的趨勢(shì)，從而為地面工程配套設(shè)施提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

4 老腔篩選及利用技術(shù)

我國(guó)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)所在鹽礦區(qū)往往擁有大量鹽化企業(yè)生產(chǎn)多年的采鹵老腔。如能改造利用已有老腔進(jìn)行儲(chǔ)氣，將極大縮短鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的建庫(kù)周期，節(jié)約建庫(kù)成本，提高建庫(kù)效率。由于鹽化企業(yè)的鉆井與采鹵工藝、造腔目的與鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)不同，井筒與腔體的密封性、完整性和穩(wěn)定性差異較大，需對(duì)老腔進(jìn)行篩選和評(píng)價(jià)，選出適合改建儲(chǔ)氣庫(kù)的老腔，才能進(jìn)行進(jìn)一步的改造施工。

4.1 老腔篩選技術(shù)

老腔篩選過(guò)程要考慮地質(zhì)條件、腔體條件和地面條件。地質(zhì)條件主要考慮腔體是否遠(yuǎn)離斷層、蓋層是否密封。腔體條件主要考慮腔體體積、井口距離、是否壓裂、采鹵期間是否發(fā)生事故和腔體的幾何形態(tài)等。地面條件主要考慮井口是否鄰近村落、學(xué)校、醫(yī)院等人口密集區(qū)，井口改造是否利于施工。

4.2 老腔評(píng)價(jià)技術(shù)

老腔評(píng)價(jià)是通過(guò)對(duì)篩選出的老腔開(kāi)展水試壓測(cè)試、氣密封測(cè)試、聲吶測(cè)試和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等工作，以確定老腔腔體的密封性和穩(wěn)定性。水試壓測(cè)試技術(shù)是通過(guò)監(jiān)測(cè)注入水流量和壓力隨時(shí)間變化情況，以低成本、方便快捷的方式初步判斷腔體密封性。氣密封測(cè)試技術(shù)是對(duì)通過(guò)水試壓測(cè)試的腔體，注入空氣監(jiān)測(cè)壓力變化情況，監(jiān)測(cè)測(cè)試期間氣體的泄漏量來(lái)進(jìn)一步評(píng)價(jià)腔體的密封性。聲吶測(cè)試技術(shù)是通過(guò)下入聲吶測(cè)試儀器，測(cè)定腔體的形態(tài)與體積，判斷腔體的形態(tài)與有效儲(chǔ)氣空間。穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是在聲吶測(cè)試的腔體形態(tài)基礎(chǔ)上，模擬腔體在實(shí)際注采工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布，以判斷腔體是否結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。通過(guò)水試壓測(cè)試、氣密封測(cè)試、聲吶測(cè)試、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)合格的老腔，可進(jìn)行下一步老腔改造施工。

4.3 老腔改造技術(shù)

老腔改造技術(shù)包括：①井筒改造技術(shù)。已有老腔通常存在套管變形及腐蝕嚴(yán)重、固井質(zhì)量差、密封條件差、井筒注采吞吐量小等問(wèn)題，不具備直接轉(zhuǎn)為注采氣井的條件，目前常采用全井套銑和封老井鉆新井這兩種方案對(duì)老腔進(jìn)行改造。②腔體修復(fù)技術(shù)。若老腔形態(tài)不規(guī)則，部分層段存在進(jìn)一步溶腔空間，可采用天然氣回溶修復(fù)技術(shù)。該技術(shù)是將天然氣當(dāng)做阻溶劑從井筒環(huán)空注入，并將氣水界面控制在腔壁不規(guī)則段以上，之后通過(guò)注水與排鹵進(jìn)行進(jìn)一步溶腔。使用該技術(shù)可對(duì)不規(guī)則造腔形狀進(jìn)行修復(fù)，提升腔體的有效儲(chǔ)氣空間，進(jìn)一步提高腔體的穩(wěn)定性。

腔體修復(fù)技術(shù)不僅可用于老腔修復(fù)，也可用于新腔的腔壁修復(fù)與天然氣存儲(chǔ)。該技術(shù)使用天然氣作為阻溶劑，相當(dāng)于在造腔過(guò)程中同時(shí)存儲(chǔ)了部分天然氣，提前進(jìn)入了投產(chǎn)運(yùn)行階段。因此應(yīng)用前景較為廣泛。金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)采用該技術(shù)進(jìn)行鹽腔形態(tài)修復(fù)，效果良好[12]。

5 儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行及監(jiān)測(cè)技術(shù)

保障運(yùn)行安全是儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行的頭等大事，需科學(xué)合理布置監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)多方位、全角度的監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、控制可能存在的隱患風(fēng)險(xiǎn)，才能從根本上保障儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行安全。通過(guò)吸收總結(jié)國(guó)外儲(chǔ)氣庫(kù)安全運(yùn)營(yíng)與監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，并在金壇儲(chǔ)氣庫(kù)部署實(shí)施，目前已形成包括腔體完整性測(cè)試、腔體形態(tài)檢測(cè)、溫度壓力與流量監(jiān)測(cè)、地面沉降監(jiān)測(cè)和微地震監(jiān)測(cè)等技術(shù)在內(nèi)的監(jiān)測(cè)體系，形成了覆蓋地下、井筒和地面的監(jiān)測(cè)與完整性管理體系，保障了鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行安全。

5.1 腔體完整性測(cè)試技術(shù)

鹽腔的完整性測(cè)試主要是測(cè)試鹽腔的密封性，完整性測(cè)試分造腔前和造腔后兩個(gè)階段，造腔前測(cè)試如果不發(fā)生地層漏失，才可以開(kāi)始造腔。造腔后的完整性測(cè)試主要觀測(cè)鹽腔的密封性，如果達(dá)到密封要求才可以注氣排鹵實(shí)施儲(chǔ)氣過(guò)程。完整性測(cè)試的主要方法是以氮?dú)鉃樵噳航橘|(zhì)，通過(guò)下入雙層測(cè)試管柱，檢測(cè)測(cè)試期間氣體的泄漏量來(lái)評(píng)價(jià)腔體的密封性。在試驗(yàn)過(guò)程中，將定期添加少量氮?dú)猓诰诒O(jiān)測(cè)氣量變化。如果鹽腔內(nèi)的氮?dú)馀c鹵水的界面可以較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定在一個(gè)位置上，則說(shuō)明該溶腔具有較好的密封性，可以開(kāi)始進(jìn)行儲(chǔ)氣庫(kù)的注氣投產(chǎn)。

5.2 腔體形態(tài)檢測(cè)技術(shù)

造腔過(guò)程中定期檢測(cè)鹽腔形態(tài)，有助于及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)來(lái)控制腔體的形態(tài)，使腔體達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行投產(chǎn)過(guò)程中由于壓力不斷變化，會(huì)導(dǎo)致鹽層發(fā)生蠕變而使鹽腔體積縮小。因此在水溶造腔和投產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，每隔一定周期均需要對(duì)鹽腔進(jìn)行聲吶檢測(cè)。

腔體形態(tài)檢測(cè)目前廣泛采用聲吶檢測(cè)技術(shù)。聲吶檢測(cè)技術(shù)的主要原理是聲吶設(shè)備下入腔體中，向腔壁發(fā)射定向聲波，聲波經(jīng)腔壁反射后再被聲吶儀接收，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算后可以得出儀器距腔壁的距離，聲吶儀旋轉(zhuǎn)一周可以測(cè)量該深度上鹽腔半徑的變化情況，不斷改變聲吶儀下入的深度就可以全方位了解鹽腔的三維空間形態(tài)。

5.3 溫度、壓力與流量監(jiān)測(cè)技術(shù)

井口與井下的溫度、壓力與流量監(jiān)測(cè)，可為鹽腔PVT模擬、庫(kù)容參數(shù)估算與核實(shí)、鹽腔完整性評(píng)估、鹽巖蠕變率計(jì)算等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。法國(guó)EDF公司采用NARMA數(shù)學(xué)模型[13]，基于歷史長(zhǎng)期的溫度、壓力與流量監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的高精度溫度、壓力與流量預(yù)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)腔體泄漏報(bào)警、優(yōu)化注采氣方案、地面壓縮機(jī)功率參數(shù)優(yōu)化等功能。

5.4 地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期注采過(guò)程中產(chǎn)生的鹽巖蠕變會(huì)導(dǎo)致腔體體積收縮，有可能會(huì)引起地面沉降。通過(guò)部署地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)并長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)，可預(yù)測(cè)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的腔體收縮情況、評(píng)估地面沉降幅度，防止地面沉降對(duì)地面建筑物造成危害。金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)部署監(jiān)測(cè)井[14]10余口，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示地面沉降速率符合規(guī)定，未對(duì)地面設(shè)施造成影響。

5.5 微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)

微地震監(jiān)測(cè)有助于提前預(yù)警大規(guī)模坍塌事件發(fā)生、理解鹽腔夾層坍塌與腔體坍塌機(jī)理。不管是漸進(jìn)還是突然發(fā)生的巖石失效坍塌活動(dòng)，在發(fā)生大規(guī)模坍塌前，常伴有大量微裂縫活動(dòng)事件。部署微地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有助于在腔體發(fā)生大規(guī)模坍塌前，捕捉到大量微地震活動(dòng)事件，提前預(yù)警可能發(fā)生的坍塌事件，降低腔體失效坍塌造成的風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)分析微地震數(shù)據(jù)（震源位置、震源機(jī)制解），可確定發(fā)生微地震活動(dòng)裂縫的大致位置、裂縫類(lèi)型（剪切、拉伸、壓縮），進(jìn)一步加深對(duì)坍塌機(jī)理的理解。羅馬尼亞某采鹵場(chǎng)為了控制某鹽腔頂板坍塌的過(guò)程，提前部署了微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)到2 300余次微地震時(shí)間，分析了該工藝對(duì)應(yīng)的頂板坍塌機(jī)制[15]。金壇儲(chǔ)氣庫(kù)目前已開(kāi)展微地震監(jiān)測(cè)先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)。

6 礦場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

江蘇金壇地下儲(chǔ)氣庫(kù)是我國(guó)第一座鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)，作為國(guó)內(nèi)首個(gè)在多夾層層狀鹽巖復(fù)雜地質(zhì)條件下建設(shè)的儲(chǔ)氣庫(kù)，針對(duì)造腔中存在的形態(tài)控制難、穩(wěn)定性要求高等難題，通過(guò)選址評(píng)價(jià)、造腔設(shè)計(jì)與控制、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、老腔改造利用、監(jiān)測(cè)體系部署等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)突破與礦場(chǎng)應(yīng)用，完成了金壇儲(chǔ)氣庫(kù)可行性研究和初步設(shè)計(jì)，指導(dǎo)了施工建設(shè)，取得較好的現(xiàn)場(chǎng)效果。

1）選址與評(píng)價(jià)。金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)層段位于古近系阜寧組四段，鹽層厚度介于100～240 m，頂部埋深介于800～1 200 m，鹽巖品位超過(guò)80%，穩(wěn)定發(fā)育10套泥巖夾層。經(jīng)過(guò)三維地震勘探與解釋?zhuān)Y(jié)合地面情況，確定庫(kù)區(qū)面積為11.26 km2。

2）造腔設(shè)計(jì)與控制。金壇儲(chǔ)氣庫(kù)采用單井單腔造腔方式，造腔采用?177.8 mm＋?114.3 mm管柱組合，正循環(huán)建槽，反循環(huán)建腔，采用柴油做頂板保護(hù)液。單腔有效體積約為25×104m3。在實(shí)際造腔過(guò)程中，根據(jù)聲吶測(cè)腔形態(tài)，反推提高了造腔地質(zhì)參數(shù)精度，實(shí)時(shí)調(diào)整了造腔工藝參數(shù)，腔體形態(tài)得到了較好控制。

3）穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與庫(kù)容參數(shù)優(yōu)化。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取芯、開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，獲取力學(xué)參數(shù)及蠕變準(zhǔn)則。結(jié)合數(shù)值模擬，優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力區(qū)間，設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力介于7～17 MPa，應(yīng)急采氣下限壓力為6 MPa。設(shè)計(jì)總注氣能力為900×104m3/d，總采氣能力1 500×104m3/d。目前金壇儲(chǔ)氣庫(kù)平穩(wěn)安全運(yùn)行，腔體收縮率等各項(xiàng)指標(biāo)符合預(yù)期。

4）老腔改造。以聲吶檢測(cè)、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，井筒改造技術(shù)為手段，形成鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)老腔評(píng)價(jià)及改造技術(shù)。金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)成功改造5口老腔，形成工作氣量0.55×108m3。

5）運(yùn)行與監(jiān)測(cè)。金壇儲(chǔ)氣庫(kù)已部署實(shí)施溫度、壓力、流量監(jiān)測(cè)、地面沉降監(jiān)測(cè)、腔體形態(tài)監(jiān)測(cè)、腔體完整性監(jiān)測(cè)、微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在10年的運(yùn)行過(guò)程中未出現(xiàn)安全事故，保障了儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行安全。

金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)地處長(zhǎng)江三角洲天然氣消費(fèi)核心區(qū)，自2007年投產(chǎn)以來(lái)，已注采近百輪次，安全平穩(wěn)運(yùn)行10余年，目前工作氣量約為6×108m3，累積采氣量約為19×108m3，充分發(fā)揮了鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)注采靈活、短期吞吐量大的優(yōu)勢(shì)，在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)季節(jié)調(diào)峰、平衡管網(wǎng)壓力、節(jié)假日應(yīng)急等方面發(fā)揮了重要的作用。

7 結(jié)束語(yǔ)

依托金壇等鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的前期評(píng)價(jià)、建設(shè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，目前國(guó)內(nèi)已形成包括選址評(píng)價(jià)技術(shù)、造腔設(shè)計(jì)與控制技術(shù)、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)庫(kù)容參數(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)、老腔篩選及利用技術(shù)、氣庫(kù)運(yùn)行及監(jiān)測(cè)技術(shù)等在內(nèi)的鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)系列，解決了層狀鹽巖鹽層展布不均、造腔機(jī)理復(fù)雜、造腔過(guò)程控制難、鹽腔安全穩(wěn)定運(yùn)行、老腔改造利用等技術(shù)難題，有效指導(dǎo)了鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的建庫(kù)運(yùn)行。

礦場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例證明，儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行指標(biāo)與設(shè)計(jì)指標(biāo)吻合率高，建庫(kù)評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，將繼續(xù)為同類(lèi)儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)提供理論支持與技術(shù)保障。

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