施錫林，馬洪嶺，章雨豪

(1.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

我國(guó)是世界能源消費(fèi)大國(guó)，2019年12月14日發(fā)布的《中國(guó)能源供需報(bào)告》顯示，2018年我國(guó)能源消費(fèi)總量占全球一次能源消費(fèi)總量的23.6%，連續(xù)10年居全球第一位[1]。但是，我國(guó)能源對(duì)外依存度高，亟需建立大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)施。以天然氣為例，作為我國(guó)現(xiàn)代清潔能源體系的主體能源之一，據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)[2]，我國(guó)天然氣對(duì)外依存度高達(dá)39%，地下儲(chǔ)氣庫(kù)的工作氣量?jī)H為全國(guó)消費(fèi)量的3%，遠(yuǎn)低于12%～15%的國(guó)際平均水平。2017年冬，我國(guó)華東和華中地區(qū)天然氣供應(yīng)嚴(yán)重不足，出現(xiàn)大規(guī)?！皻饣摹保a(chǎn)生諸多負(fù)面影響。同時(shí)，隨著壓縮空氣儲(chǔ)能電站及氫氣地下儲(chǔ)存等新型大規(guī)模儲(chǔ)能方式的快速發(fā)展，也需要建設(shè)大量大規(guī)模地下儲(chǔ)氣庫(kù)。可見(jiàn)，加快建設(shè)大型地下儲(chǔ)氣庫(kù)，是保障我國(guó)能源安全的迫切需求。深部鹽礦是國(guó)際公認(rèn)的能源地下儲(chǔ)備的優(yōu)良場(chǎng)所。利用鹽礦水溶開(kāi)采形成的地下溶腔建設(shè)大型地下儲(chǔ)氣庫(kù)，是天然氣大規(guī)模儲(chǔ)存的主要方式。

我國(guó)鹽礦資源豐富，具備建設(shè)大規(guī)模地下儲(chǔ)庫(kù)的基本地質(zhì)條件[3]。然而，近年來(lái)鹽巖儲(chǔ)庫(kù)選址調(diào)研[4]表明，若繼續(xù)采用傳統(tǒng)的鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)技術(shù)，已經(jīng)很難找到適合建庫(kù)的鹽礦地質(zhì)資源[5]，尤其是我國(guó)多數(shù)鹽巖礦床的高雜質(zhì)地質(zhì)特征導(dǎo)致鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)發(fā)展陷入困境。為破解這一困境，從2012年開(kāi)始[6]，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所等科研單位聯(lián)合江蘇蘇鹽井神股份有限公司等鹽礦開(kāi)采單位以及中國(guó)石油和中國(guó)石化等儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)單位，逐步開(kāi)展了系統(tǒng)的理論分析、試驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，突破了現(xiàn)有鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)技術(shù)框架，目前，基本形成了在高雜質(zhì)鹽礦對(duì)接井已有采鹵溶腔中儲(chǔ)氣的新技術(shù)體系。本文總結(jié)了該領(lǐng)域近年來(lái)的主要研究進(jìn)展。

1 高雜質(zhì)鹽礦建庫(kù)難題與破解途徑

我國(guó)鹽礦資源豐富，已查明石鹽礦床約有105處[3]，NaCl資源儲(chǔ)量高達(dá)14.6萬(wàn)億t[3]，具備建設(shè)大型鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的資源條件。但是，我國(guó)鹽礦多為湖相沉積形成的高雜質(zhì)鹽礦，地質(zhì)條件復(fù)雜[7]，給儲(chǔ)氣庫(kù)建造帶來(lái)很多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

1.1 現(xiàn)有建庫(kù)技術(shù)不適用高雜質(zhì)鹽礦

國(guó)內(nèi)外鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)通常采用單井油墊水溶造腔技術(shù)建造[8-9]。這一技術(shù)的主要工藝過(guò)程[7]是：通過(guò)鉆井將埋深數(shù)百米至兩千余米的深部鹽層與地面連通，固井后在井筒中安置造腔外管、造腔內(nèi)管等管柱；把淡水或非飽和鹵水注入井下，溶解鹽層，期間用油墊層控制上溶；隨著鹽巖的溶解，溶腔不斷擴(kuò)大，適時(shí)調(diào)整油墊、造腔內(nèi)管及造腔外管的深度，以達(dá)到控制腔體溶解邊界的目的，最終獲得滿足儲(chǔ)庫(kù)要求的溶腔；然后向腔體內(nèi)注入高壓天然氣同時(shí)排出鹵水(即“注氣排鹵”)，進(jìn)而形成大型地下儲(chǔ)氣洞室。

如圖1所示，水溶造腔完成后，難溶于水的“雜質(zhì)”堆積到鹽腔底部，形成“沉渣”堆積體，沉渣內(nèi)的空隙被鹵水占據(jù)。傳統(tǒng)建庫(kù)技術(shù)的注氣排鹵過(guò)程會(huì)將排鹵管柱設(shè)置于“沉渣堆積面”上方，最終排鹵管口以上的絕大部分鹵水被天然氣擠到地面，然后起出排鹵管完成儲(chǔ)氣庫(kù)建造。因此，傳統(tǒng)建庫(kù)技術(shù)利用溶腔內(nèi)的沉渣堆積體以外的純鹵水空間儲(chǔ)氣，對(duì)圖1(a)所示的低雜質(zhì)鹽礦，水溶造腔完成后僅殘留少量沉渣在溶腔內(nèi)，經(jīng)注氣排鹵后可以形成大型氣庫(kù)。但對(duì)圖1(b)所示的高雜質(zhì)鹽礦，水溶造腔完成后會(huì)殘留大量沉渣在溶腔內(nèi)，經(jīng)注氣排鹵后僅能形成小規(guī)模氣庫(kù)，投入產(chǎn)出比極低，建庫(kù)可行性差。

圖1 現(xiàn)有建庫(kù)技術(shù)中的注氣排鹵過(guò)程示意圖

我國(guó)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[10]要求“鹽礦中平均水溶物含量要大于75%，鹽層內(nèi)夾層個(gè)數(shù)少且厚度小，不溶物(即本文所述的“雜質(zhì)”)含量小于25%”，這一要求是鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)選址的必要條件。經(jīng)過(guò)中國(guó)石油和中國(guó)石化等儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)單位的廣泛調(diào)研，滿足上述要求的鹽礦場(chǎng)址極少，主要有江蘇金壇鹽礦和湖北潛江鹽礦，雜質(zhì)含量約15%～20%，目前正在建庫(kù)或開(kāi)展建造先導(dǎo)試驗(yàn)[4]。近十年來(lái)，為了擴(kuò)大建庫(kù)規(guī)模，進(jìn)一步選取雜質(zhì)含量在20%～30%之間的鹽礦地層，采用傳統(tǒng)建庫(kù)技術(shù)開(kāi)展了儲(chǔ)氣庫(kù)建造先導(dǎo)試驗(yàn)，涉及礦區(qū)包括淮安鹽礦張興礦區(qū)、云應(yīng)鹽礦[11]、淮安趙集鹽礦等，但是受鹽礦雜質(zhì)含量高等因素的制約，建庫(kù)工程進(jìn)展緩慢。

可見(jiàn)，若采用傳統(tǒng)的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)技術(shù)，難以利用我國(guó)廣泛存在的高雜質(zhì)鹽礦建成大型儲(chǔ)氣庫(kù)，我國(guó)鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)陷入發(fā)展瓶頸。

1.2 已有溶腔改建儲(chǔ)氣庫(kù)是突破口

如圖2所示，我國(guó)絕大多數(shù)鹽礦均采用水平對(duì)接井水溶開(kāi)采，與傳統(tǒng)的單井建庫(kù)技術(shù)存在很大差異。典型的開(kāi)采工藝以兩口井(直井和斜井)為一個(gè)井組，先鉆一口直井將鹽礦層與地表連通，再在距離直井250～350 m的位置鉆一口斜井，斜井的造斜率一般為0.4°/m，確保位于鹽礦層底部的水平段長(zhǎng)度為150～200 m[12]，鉆井完成后直井和斜井水平段末端在鹽礦層底部實(shí)現(xiàn)對(duì)接、連通，然后從其中一口井注入淡水，溶解鹽礦層后形成鹵水，鹵水在注水余壓的作用下從另外一口井返出地面，定期調(diào)換注水井和出鹵井，并根據(jù)實(shí)際開(kāi)采工況開(kāi)展割管修井等工作，以實(shí)現(xiàn)鹽礦層充分開(kāi)采。

圖2 鹽礦水平對(duì)接井水溶開(kāi)采示意圖

我國(guó)是世界上井礦鹽產(chǎn)量最大的國(guó)家，2014年井礦鹽年產(chǎn)量[13]高達(dá)4 800萬(wàn)t，并且逐年遞增，2018年產(chǎn)量為5 306萬(wàn)t，進(jìn)一步可推算出，近5年我國(guó)每年可形成鹽礦地下空間體積達(dá)到2 000×104m3以上。本研究將鹽礦采鹵后形成的地下空間定義為“已有溶腔”。已有溶腔經(jīng)測(cè)試評(píng)估，確定符合儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)條件并經(jīng)改造后，通過(guò)注入儲(chǔ)存氣體將溶腔內(nèi)的鹵水排出，形成鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)，這一技術(shù)已在金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)一期工程的5口已有溶腔成功應(yīng)用[14]，2007年投產(chǎn)，至今仍在安全運(yùn)行。已有溶腔改建儲(chǔ)氣庫(kù)，建庫(kù)成本低且建設(shè)周期短，是加快鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的有效途徑，可有效緩解對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)的迫切需求。

可見(jiàn)，破解高雜質(zhì)鹽礦的建庫(kù)難題，利用鹽礦已有溶腔改建儲(chǔ)氣庫(kù)是重要突破口。然而，雖然已有溶腔改建儲(chǔ)氣庫(kù)在金壇獲得了成功，但僅限于對(duì)少數(shù)單井單腔且形狀規(guī)則的溶腔進(jìn)行改造，對(duì)多井單腔且形狀復(fù)雜的已有溶腔改造還未涉及[14]。在前述背景下，本研究開(kāi)展了高雜質(zhì)鹽礦建庫(kù)的系列科技攻關(guān)。

2 高雜質(zhì)鹽礦已有溶腔的形態(tài)特征

獲取高雜質(zhì)鹽礦已有溶腔的形態(tài)特征，是建庫(kù)成功的必要前提，也是必須突破的第一道屏障。不同于鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)新腔建造過(guò)程中所采用的精細(xì)化控制工藝，鹽礦對(duì)接井開(kāi)采過(guò)程中的注水方式經(jīng)常不定期改變，采鹵管柱深度也經(jīng)常由于井下事故、割管作業(yè)等因素而改變，對(duì)接井采鹵溶腔的形態(tài)也非常復(fù)雜。再加上沉渣掩埋水平通道等因素，使得對(duì)接井鹽腔形態(tài)探測(cè)更加困難。

2.1 鹽井及腔體綜合探測(cè)

在研究初期，由于現(xiàn)有的鹽穴聲納探測(cè)技術(shù)最大探測(cè)距離僅為100 m左右，且聲納信號(hào)無(wú)法穿透沉渣散體探測(cè)等原因，聲納測(cè)腔技術(shù)僅能測(cè)出直井或斜井頂部的鹽腔形態(tài)，難以探測(cè)出對(duì)接井采鹵溶腔的整體形態(tài)，給對(duì)接井采鹵已有溶腔改建儲(chǔ)庫(kù)的設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)很大困難。中石油儲(chǔ)氣庫(kù)項(xiàng)目部曾提出對(duì)現(xiàn)有聲納儀器增加轉(zhuǎn)向功能從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜腔體探測(cè)的思路[14]，由于儀器改造難度較大等原因，現(xiàn)場(chǎng)未能實(shí)施。導(dǎo)致幾年前關(guān)于水平式鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)力學(xué)穩(wěn)定性的相關(guān)研究[15-17]均是基于假想的鹽腔形態(tài)開(kāi)展的，研究結(jié)論的適用性受到較大影響。

為了更好地服務(wù)鹽礦開(kāi)采和溶腔資源化利用，考慮到鹽井溶腔檢測(cè)的重要性，江蘇蘇鹽井神股份有限公司牽頭研發(fā)出“鹽井溶腔集成探測(cè)技術(shù)”[18]，該技術(shù)將鹽井井筒及地下溶腔作為檢測(cè)對(duì)象，集成井下視頻成像測(cè)井、物探測(cè)井和聲納測(cè)腔等三種技術(shù)手段，不僅可以掌握鹽井井筒內(nèi)部、井筒外部及井斜情況，還可以掌握地下溶腔的基本信息，實(shí)現(xiàn)了鹽井溶腔的全方位檢測(cè)。中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所全程參與了其中的聲納探測(cè)核心技術(shù)的研發(fā)，目前利用這套技術(shù)已經(jīng)在淮安鹽礦成功探測(cè)了數(shù)十口對(duì)接井采鹵溶腔。

2.2 溶腔形態(tài)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)

為了探測(cè)出對(duì)接井采鹵溶腔的三維形態(tài)，研發(fā)并采用了“聲納與電法聯(lián)合測(cè)腔”以及“聲納與地震聯(lián)合測(cè)腔”兩套物探技術(shù)體系。

“聲納與電法聯(lián)合測(cè)腔”的基本科學(xué)依據(jù)是溶腔內(nèi)鹵水的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)高于原始地層?；炯夹g(shù)流程是，用聲納測(cè)腔精確數(shù)據(jù)對(duì)電法勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定[19]。為確?！奥暭{與電法聯(lián)合測(cè)腔”順利實(shí)施，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所先后從俄羅斯引進(jìn)了Scanner-2000型和Scanner-2000R型鹽腔聲納儀，從加拿大引進(jìn)了V8網(wǎng)絡(luò)化多功能電法儀。這兩套儀器在湖北云應(yīng)鹽礦[20]和江蘇淮安鹽礦[21]的探測(cè)成果，為深入認(rèn)識(shí)對(duì)接井采鹵溶腔的三維形態(tài)提供了重要且關(guān)鍵的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)。

由于電法勘探對(duì)地表?xiàng)l件要求較高，高壓線纜及建筑物等均會(huì)對(duì)電磁場(chǎng)產(chǎn)生較大影響。為規(guī)避這一問(wèn)題，進(jìn)一步研發(fā)了“聲納與地震聯(lián)合測(cè)腔”技術(shù)體系，基本原理是利用聲納測(cè)腔精確數(shù)據(jù)對(duì)地震勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。在湖北云應(yīng)鹽礦的兩個(gè)礦區(qū)開(kāi)展了探測(cè)，研究發(fā)現(xiàn)該技術(shù)體系的探測(cè)成果對(duì)于溶腔水平方向展布的刻畫較為準(zhǔn)確，可以為判斷相鄰井組的獨(dú)立性提供重要參考。

2.3 溶腔三維形態(tài)綜合構(gòu)建

對(duì)接井采鹵溶腔形態(tài)檢測(cè)過(guò)程中，由于斜井造斜點(diǎn)以下的井斜過(guò)大，難以下入聲納探頭，因此，斜井端形態(tài)的測(cè)量是水平井鹽腔形態(tài)探測(cè)的關(guān)鍵。

如圖2所示，當(dāng)斜井端鹽腔擴(kuò)展至造斜點(diǎn)以上后，生產(chǎn)套管井斜較小，可采用聲納測(cè)試技術(shù)分別從直井和斜井下入聲納探測(cè)儀，可探測(cè)出對(duì)流老腔兩端形態(tài)，然后綜合含鹽系地層特征、鉆井軌跡和開(kāi)采歷史等數(shù)據(jù)，分步刻畫出鹽腔底部邊界、橫向邊界、腔頂埋深、沉渣面埋深等形態(tài)數(shù)據(jù)，構(gòu)建對(duì)接井采鹵溶腔采動(dòng)空間的三維形態(tài)，然后通過(guò)采鹽量校核采動(dòng)空間三維形態(tài)的合理性，對(duì)三維形態(tài)進(jìn)行修正。

為了更加精確地繪制高雜質(zhì)鹽礦對(duì)接井采鹵溶腔的三維形態(tài)，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所、重慶大學(xué)、中國(guó)石化和中國(guó)石油等單位，聯(lián)合開(kāi)展了水平井開(kāi)采或造腔過(guò)程成腔機(jī)理物理模擬試驗(yàn)研究[22-24]，建立了水平井鹽巖溶腔形態(tài)擴(kuò)展預(yù)測(cè)理論模型[25]，并編制了多夾層鹽礦水平型溶腔仿真設(shè)計(jì)軟件[26]，通過(guò)對(duì)溶腔中溶解、擴(kuò)散、對(duì)流問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算出溶腔的形態(tài)發(fā)展過(guò)程，功能包括地質(zhì)參數(shù)輸入、工藝參數(shù)輸入、網(wǎng)格初始化系統(tǒng)和導(dǎo)入初始形態(tài)等，子系統(tǒng)包括濃度場(chǎng)計(jì)算系統(tǒng)、速度場(chǎng)計(jì)算系統(tǒng)、溶解過(guò)程計(jì)算系統(tǒng)、網(wǎng)格變形系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)等。并利用室內(nèi)模擬試驗(yàn)和淮安鹽礦現(xiàn)場(chǎng)聲納及采礦數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，目前該軟件的新一代版本正在根據(jù)從不同礦區(qū)取得的最新數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷修正和完善。

三維形態(tài)綜合構(gòu)建成果表明，高雜質(zhì)鹽礦對(duì)接井開(kāi)采的腔體形態(tài)(如圖2(b)所示)，呈兩端高、中間低的“凹”字型，且其中間段被大量不溶物沉渣掩埋。受地質(zhì)條件及開(kāi)采工藝參數(shù)的影響，水平段高度從數(shù)米、數(shù)十米到上百米不等。

3 沉渣散體的空隙及其連通特征

3.1 沉渣散體的空隙率

前期研究過(guò)程中，分別從室內(nèi)試驗(yàn)、鹽礦開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)計(jì)算和儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)數(shù)據(jù)反分析等3方面，揭示了沉渣散體的高空隙率特征。

1)室內(nèi)試驗(yàn)方面。江漢油田采油工藝研究院和中科院武漢巖土力學(xué)研究所的聯(lián)合研究表明，江漢鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)碎脹系數(shù)高達(dá)1.701[27]，換算為空隙率為41.21%；中石油西氣東輸儲(chǔ)氣庫(kù)管理處聯(lián)合西南石油大學(xué)研究了金壇鹽巖儲(chǔ)庫(kù)腔底堆積物空隙特征[28]，研究表明實(shí)例井某溶腔階段堆積物總體空隙率的理論計(jì)算值為48.23%，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)后續(xù)聲納測(cè)腔分析得出的空隙率為44.26%。

2)鹽礦現(xiàn)場(chǎng)方面。應(yīng)用第2部分所述的方法，在淮安鹽礦成功探測(cè)并構(gòu)建出對(duì)接井采鹵溶腔的三維形態(tài)[29]。以處于開(kāi)采中期的某井組為例，根據(jù)采鹵數(shù)據(jù)、品位和地層密度測(cè)算，沉渣體內(nèi)的空隙率大于50%。

3)沉渣體的高空隙率特征也在鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)水溶造腔實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。例如，根據(jù)金壇儲(chǔ)氣庫(kù)30余口儲(chǔ)庫(kù)的造腔數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)不溶物碎脹和膨脹系數(shù)取1.9才能符合現(xiàn)場(chǎng)腔體發(fā)展情況。因此，金壇儲(chǔ)氣庫(kù)沉渣的空隙率為(1.9-1.0)/1.9=47%。

基于以上研究發(fā)現(xiàn)，假設(shè)在淮安鹽礦實(shí)際注氣排鹵施工，考慮結(jié)合水和毛細(xì)水等抑制排鹵效果的因素，如果高壓氣體能將空隙內(nèi)的全部自由鹵水排出，初步估算可用于儲(chǔ)氣的空隙體積占沉渣堆積體體積的40%左右。

3.2 沉渣空隙的連通性

鹽礦水平對(duì)接井水溶開(kāi)采過(guò)程中，通常一半時(shí)間從直井注入淡水、從斜井排出鹵水，另外一半時(shí)間從斜井注入淡水、從直井排出飽和鹵水，在長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的持續(xù)開(kāi)采以及倒井的過(guò)程中，除井筒故障導(dǎo)致采鹵中斷外，鹽礦各項(xiàng)采鹵數(shù)據(jù)(壓力、流量等)均正常，水平段通道溶解擴(kuò)大后未發(fā)現(xiàn)沉渣體內(nèi)的淤堵現(xiàn)象。上述普遍現(xiàn)象表明，沉渣體內(nèi)部的空隙具有良好的連通性，有利于天然氣順利驅(qū)替空隙中的鹵水。

綜合3.1節(jié)和3.2節(jié)可見(jiàn)，沉渣體的高空隙率及其優(yōu)良的連通性，為沉渣空隙利用提供了良好的條件，利用沉渣空隙儲(chǔ)存天然氣，有望突破低品位鹽礦建庫(kù)的瓶頸。

3.3 沉渣空隙儲(chǔ)氣的潛力

以某實(shí)測(cè)對(duì)接井采鹵溶腔[29]為例，聲納測(cè)得直井端和斜井端頂部溶腔體積分別為5×104m3和12×104m3，總體積為17×104m3。進(jìn)一步調(diào)研了該井組的開(kāi)采數(shù)據(jù)，根據(jù)采鹵量和鹽礦品位等數(shù)據(jù)，測(cè)算出該溶腔的采動(dòng)體積約166×104m3。可見(jiàn)，整個(gè)溶腔有(166-17)/166≈90%的空間被沉渣堆積體掩埋。

若采用傳統(tǒng)建庫(kù)技術(shù)，該鹽腔可用于儲(chǔ)氣的溶腔體積僅為17×104m3；若將空隙空間也用來(lái)儲(chǔ)氣，按照3.1節(jié)所述的40%的空隙利用率計(jì)算，該鹽腔可用于儲(chǔ)氣的溶腔體積可以高達(dá)(166-17)×40%+17≈77×104m3，溶腔可儲(chǔ)氣體積擴(kuò)大為傳統(tǒng)技術(shù)的4.5倍。

4 典型建庫(kù)流程及風(fēng)險(xiǎn)防控措施

4.1 總體技術(shù)思路

基于前述研究發(fā)現(xiàn)，突破高雜質(zhì)鹽礦建設(shè)大規(guī)模儲(chǔ)氣庫(kù)的瓶頸，充分利用沉渣散體的大量空隙空間是關(guān)鍵，研究團(tuán)隊(duì)提出了從溶腔底部排出空隙鹵水的技術(shù)思路。目前，核心技術(shù)“鹽礦老腔全采動(dòng)空間注氣排鹵方法”已經(jīng)獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)[30]。

以對(duì)接井開(kāi)采形成的已有溶腔改建天然氣儲(chǔ)庫(kù)為例，鉆取一口新井，通過(guò)新井建造出一口體積較小的位于鹽礦下部的新腔，通過(guò)水力壓裂、自然溶通或水平鉆井等方法，制造新腔-老腔連通通道(為便于表述，第4節(jié)中全部用“老腔”代替“已有采鹵溶腔”，與本節(jié)所述“新腔”呼應(yīng))，將新腔與老腔底部連通，從老腔井口注入天然氣，從新腔井口排出鹵水，沉渣空隙最終基本被天然氣占據(jù)，從而建成大型鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)。

4.2 具體實(shí)施方式

第1步：新井鉆完井。

本步要點(diǎn)如圖3(a)所示。

新井宜布設(shè)于直井附近，其原因是直井端鹽腔發(fā)展規(guī)律較斜井端清晰，有利于保障鉆井和排鹵過(guò)程順利進(jìn)行。盡管普遍規(guī)律如此，某些特殊情況下新井的布設(shè)方式可靈活選擇。例如：如果已明確探測(cè)出斜井端的采動(dòng)邊界，亦可將新井設(shè)置于斜井附近；如果已經(jīng)明確探測(cè)出水平段采動(dòng)邊界，也可將新井布設(shè)于直井和斜井之間的某個(gè)部位，淮安鹽礦的先導(dǎo)試驗(yàn)井就采用了這種布設(shè)方式。

新井鉆井過(guò)程中，應(yīng)與老腔邊界保持合理的距離和相對(duì)位置，保持足夠遠(yuǎn)的距離以防止新井鉆井過(guò)程中鉆入老腔，保持足夠近的距離以保證新腔可以與老腔盡早連通。新井鉆井靶點(diǎn)設(shè)置于鹽層底部，在確保地層密封性的前提下，該距離越小越有利于擴(kuò)大儲(chǔ)氣規(guī)模。

新井管柱包括技術(shù)套管和中心管。管口盡量接近鹽層底部，目的是保證底部鹽礦被充分溶解，以確保新腔與老腔在盡量低的位置連通，從而可以排出老腔內(nèi)的更多鹵水，進(jìn)而獲取更大儲(chǔ)氣空間。

第2步：新腔建造與淤堵防控。

如圖3(b)所示，從中心管注入淡水，注入的淡水溶解鹽礦后形成鹵水，鹵水經(jīng)由技術(shù)套管與中心管之間的環(huán)空排到地面設(shè)施，隨著溶解時(shí)間的推移，新腔體積逐漸擴(kuò)大。可以考慮定期從中心管注入除渣酸液，其目的是將新腔中產(chǎn)生的沉渣溶蝕為可以被鹵水?dāng)y帶到地面的小顆粒，防止沉渣堆積過(guò)多而導(dǎo)致堵井，同時(shí)也可以防止沉渣過(guò)度堆積后制約新腔的橫向發(fā)展。除渣酸液的配比根據(jù)沉渣的巖性確定，一般為容易與沉渣中的碳酸巖、砂巖或粘土反應(yīng)，但是不易與鹽礦(主要成分NaCl)發(fā)生反應(yīng)的酸性物質(zhì)，例如鹽酸(HCl)和氫氟酸(HF)的混合液。同時(shí)，還應(yīng)注意評(píng)估除渣酸液對(duì)套管腐蝕的影響。

如圖3(c)所示，定期從技術(shù)套管與中心管之間的環(huán)空注入柴油，在新腔頂部形成柴油墊層，以避免新腔過(guò)快向上發(fā)展，同時(shí)可以避免新腔底部沉渣堆積過(guò)多，從而保障新腔的橫向擴(kuò)展，盡早與老腔連通。

第3步：新腔與老腔連通。

如圖3(d)所示，可采用三種方法促使新腔與老腔連通，分別為：自然溶通、壓裂連通和鉆井連通。

1)自然溶通。新腔建造過(guò)程中，直井和斜井井口保持打開(kāi)狀態(tài)，并對(duì)直井和斜井的流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到直井或斜井中有鹵水持續(xù)流動(dòng)時(shí)，說(shuō)明新腔和老腔已經(jīng)連通。此時(shí)，關(guān)閉新井的技術(shù)套管閥門，繼續(xù)從中心管注入淡水，其目的是進(jìn)一步擴(kuò)大新腔-老腔連通通道，此過(guò)程須嚴(yán)格控制注水總量以避免通道過(guò)度溶解后擴(kuò)大。

2)壓裂連通。當(dāng)新腔具有足夠的排鹵空間后，打開(kāi)直井和斜井井口，關(guān)閉新井的技術(shù)套管閥門，從中心管注入高壓淡水，注水壓力的控制原則為新腔內(nèi)鹵水壓力高于地層破裂壓力1～3 MPa，由于新腔和老腔距離較近，其間距離最近的部位將最先被高壓水壓開(kāi)，壓開(kāi)后繼續(xù)從中心管注入淡水，其目的是進(jìn)一步擴(kuò)大新腔-老腔連通通道，此過(guò)程嚴(yán)格控制注水總量以避免通道過(guò)度溶解后擴(kuò)大。

3)鉆井連通。當(dāng)新腔具有足夠的排鹵空間后，采用短半徑鉆井技術(shù)，從新井內(nèi)下入鉆具，從新腔向老腔鉆孔，直至鉆通形成新腔-老腔連通通道。鉆通后繼續(xù)從中心管注入淡水，其目的是進(jìn)一步擴(kuò)大新腔-老腔連通通道，此過(guò)程須嚴(yán)格控制注水總量以避免通道過(guò)度溶解后擴(kuò)大。

第4步：新腔和老腔聯(lián)合注氣排鹵。

如圖3(e)所示，將新腔和老腔的井下管柱改造為氣密封管柱系統(tǒng)，其中新井的中心管下入新腔沉渣面以上數(shù)米，從斜井(或直井，或直井和斜井同時(shí))注入天然氣，老腔內(nèi)的鹵水在高壓天然氣的作用下，經(jīng)由新腔-老腔連通通道，通過(guò)新井的中心管返到地面鹵水處理廠。最終，老腔內(nèi)的鹵水充填區(qū)以及和將在充填區(qū)等區(qū)域內(nèi)的鹵水基本被排出，形成大型鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)。

田卓遞給高潮一支香煙，并指指沙發(fā)，示意高潮坐下來(lái)。田卓的表情很平靜，沒(méi)有像馮可兒那樣喜形于色，高潮想，這或許就是做老板的人所具備的潛在素養(yǎng)吧。像馮可兒這樣的人，或許一輩子就是跟在別人屁股后面打工的命。

圖3 高雜質(zhì)鹽礦已有溶腔改建儲(chǔ)氣庫(kù)過(guò)程示意圖

第5步：儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行。

如圖3(f)所示，注氣排鹵結(jié)束后，將新井的中心管最低點(diǎn)提升至技術(shù)套管內(nèi)部，防止中心管底部長(zhǎng)期置于鹵水中被腐蝕，同時(shí)中心管提升后也可以作為天然氣注采的通道。儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，從新井、直井和斜井同時(shí)注采氣，注采效率有望提高到單井系統(tǒng)的3倍左右。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

從2014年開(kāi)始，在國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)石油等單位的資助下，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所先后在湖北云應(yīng)鹽礦[20]和江蘇淮安鹽礦[21]等典型鹽礦區(qū)，開(kāi)展了水平井鹽腔形態(tài)構(gòu)建理論與探測(cè)方法的研發(fā)工作，探明了不同類型鹽礦的水平井鹽腔形態(tài)，同時(shí)逐步建立了一套水平井鹽腔形態(tài)探測(cè)技術(shù)體系[29]，為高雜質(zhì)鹽礦地下溶腔的利用清除了第一道重大障礙。在解決溶腔形態(tài)探測(cè)難題的基礎(chǔ)上，形成了高雜質(zhì)鹽礦已有溶腔大規(guī)模儲(chǔ)氣技術(shù)，有望盤活我國(guó)鹽礦開(kāi)采形成的大量已有溶腔，促使鹽礦采空區(qū)地質(zhì)隱患轉(zhuǎn)化為寶貴的地下儲(chǔ)庫(kù)資源。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：

1)以沉渣空隙的有效利用為核心，在沉渣體下部“低位排鹵”，充分利用沉渣中的空隙儲(chǔ)氣，同時(shí)沉渣對(duì)圍巖的良好支撐有助于降低最小運(yùn)行壓力，從而使得儲(chǔ)氣庫(kù)可儲(chǔ)存更多的氣體；

2)不需要精確測(cè)量出已有溶腔的整體形態(tài)，規(guī)避了沉渣掩埋部位難以探測(cè)的問(wèn)題，降低測(cè)量施工難度并節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本；

3)相對(duì)于新建儲(chǔ)庫(kù)，可以節(jié)省大量的造腔時(shí)間，建設(shè)速度快，還可以節(jié)省大量的造腔工程費(fèi)用，建造成本低，具有很高的投入產(chǎn)出比。

為盡快推動(dòng)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，2018年7月，蘇鹽井神牽頭成立“鹽穴儲(chǔ)氣聯(lián)合研發(fā)中心”，中心成員單位包括中科院武漢巖土力學(xué)研究所、淮陰工學(xué)院、中國(guó)石油中俄東線儲(chǔ)氣庫(kù)項(xiàng)目部、淮安市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院和俄羅斯某聲納儀器公司，形成了“產(chǎn)學(xué)研用”的合作系統(tǒng)工程，在淮安鹽礦開(kāi)展該新型建庫(kù)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化先導(dǎo)試驗(yàn)。2019年12月，“江蘇鹽業(yè)水平井鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)先導(dǎo)試驗(yàn)研究成果發(fā)布會(huì)”在江蘇召開(kāi)，先導(dǎo)試驗(yàn)研究成果表明，水平井鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)技術(shù)可行，尤其有利于多夾層、品位相對(duì)較低鹽巖礦區(qū)建設(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)，且造腔鹵水品質(zhì)高、建庫(kù)速度快、經(jīng)濟(jì)性較好，有在制鹽行業(yè)廣泛推廣的意義。下一步，擬在淮安鹽礦的兩個(gè)礦區(qū)建造25座儲(chǔ)氣庫(kù)，設(shè)計(jì)庫(kù)容39×109m3，其中一期工程儲(chǔ)氣庫(kù)均是利用高雜質(zhì)(雜質(zhì)含量約45%)鹽礦的已有溶腔改建。

5 研究方向及展望

目前，高雜質(zhì)鹽礦已有溶腔大規(guī)模儲(chǔ)氣技術(shù)體系正在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，該技術(shù)的發(fā)展需要尋求科學(xué)理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐成果的支撐，盡快形成完善的理論和技術(shù)體系。

針對(duì)已有溶腔的儲(chǔ)氣利用，未來(lái)亟需開(kāi)展以下3方面的研究工作：

1)基礎(chǔ)理論方面?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試已經(jīng)驗(yàn)證鹵水封閉性能良好[31]，需要進(jìn)一步研究高雜質(zhì)鹽礦地質(zhì)體的氣體封閉性能評(píng)價(jià)方法和理論、沉渣空隙儲(chǔ)氣能力的綜合評(píng)價(jià)方法和理論、天然氣驅(qū)替空隙鹵水過(guò)程中的氣液固三相物質(zhì)運(yùn)移特征以及儲(chǔ)氣庫(kù)循環(huán)注采氣過(guò)程中的安全評(píng)價(jià)方法。

2)設(shè)計(jì)方法方面。多夾層鹽礦水平型溶腔仿真設(shè)計(jì)方法，需要根據(jù)最新的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)完善，盡快更新設(shè)計(jì)軟件版本，形成可靠的設(shè)計(jì)手段；老井改造的具體方案需進(jìn)一步完善；井組之間的合理安全礦柱寬度的設(shè)計(jì)方法也需要進(jìn)一步研究；基于沉渣空隙儲(chǔ)氣的思路，儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)單位也正在針對(duì)對(duì)流井連通老腔改建儲(chǔ)氣庫(kù)的相關(guān)技術(shù)方案開(kāi)展研究[32-33]。

3)工程實(shí)施方面。目前已經(jīng)在淮安某礦區(qū)開(kāi)展的模擬注氣排鹵流場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明三井式注氣排鹵流體通暢，下一步將在相關(guān)部門審批核準(zhǔn)后，對(duì)已有溶腔井筒進(jìn)行改造，使其符合儲(chǔ)氣庫(kù)密封標(biāo)準(zhǔn)，然后開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)注氣試驗(yàn)。

長(zhǎng)期來(lái)看，在高雜質(zhì)已有溶腔改建儲(chǔ)氣庫(kù)成功的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步研究高雜質(zhì)鹽礦新建儲(chǔ)氣庫(kù)的理論與關(guān)鍵技術(shù)，保障儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)規(guī)模，提高我國(guó)鹽礦資源的綜合利用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)采礦與儲(chǔ)能兼?zhèn)涞目沙掷m(xù)發(fā)展模式。例如，以沉渣空隙儲(chǔ)氣利用技術(shù)思路為核心，進(jìn)一步延伸出了“高雜質(zhì)鹽礦大型儲(chǔ)氣庫(kù)雙井建造方法”[34]以及“一種連通井鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的注采氣方法”[35]等專利技術(shù)。同時(shí)，還要進(jìn)一步考慮將沉渣空隙利用方法推廣到單井鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)，尤其是一些單井造腔成腔率較低的儲(chǔ)氣庫(kù)溶腔，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)庫(kù)有效擴(kuò)容。

6 結(jié)論

1)形態(tài)探測(cè)及構(gòu)建成果表明，高雜質(zhì)鹽礦水平對(duì)接井水溶開(kāi)采形成的溶腔，絕大部分采動(dòng)空間被不溶物沉渣掩埋，腔體采動(dòng)空間的形態(tài)呈兩端高、中間低的“凹”字型。

2)高雜質(zhì)鹽礦已有采鹵溶腔的沉渣堆積體，空隙率高且連通性好，其空隙空間具備儲(chǔ)存天然氣、氫氣或空氣等高壓氣體的基本條件。

3)從溶腔底部排出空隙鹵水的技術(shù)思路，采用“低位排鹵”，配合一整套技術(shù)流程和風(fēng)險(xiǎn)防控措施，可以有效排出空隙中的鹵水用于儲(chǔ)氣庫(kù)，顯著擴(kuò)大單井組儲(chǔ)氣庫(kù)規(guī)模。

4)研究成果突破了鹽礦品位對(duì)建庫(kù)地質(zhì)條件的限制，儲(chǔ)氣庫(kù)前期選址中被否定的鹽礦重新具備了儲(chǔ)氣的可能，對(duì)于擴(kuò)大建庫(kù)選址范圍以及促進(jìn)鹽礦開(kāi)采可持續(xù)發(fā)展均具有重要的推動(dòng)作用。

致謝：中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所楊春和院士和李銀平研究員全程參與并指導(dǎo)了關(guān)鍵理論和技術(shù)的研發(fā)，王同濤副研究員、陳鋒副研究員以及研究生李金龍、陳濤、葛鑫博、陳祥勝、薛天富和李朋等也參與了研發(fā)，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及試驗(yàn)得到了江蘇蘇鹽井神股份有限公司和中國(guó)石油西氣東輸管道公司儲(chǔ)氣庫(kù)管理處等單位的多位工程技術(shù)人員的幫助和支持，謹(jǐn)表謝忱。