盐穴储气库快速造腔技术研究.doc

地下储气（油）库工程技术国际研讨会-北京2008盐穴储气库快速造腔技术研究袁光杰* 袁光杰，男，1974年8月生，2004年获上海交通大学机械制造及自动化专业博士学位，现为中国石油钻井工程技术研究院高级工程师，中国石油大学(北京)在读博士后，主要从事钻井和完井及储气库工程技术研究。Email: 申瑞臣 袁进平 田中兰 高严尊 吴国明（中石油集团钻井工程技术研究院,100195）摘要：盐穴储气库腔体的溶漓过程花费时间长，耗费淡水和能源较多。如何快速优质溶漓成稳定的腔体是缩短盐穴气库建造时间，节约建库资金，提高建库效益的关键技术。文章结合国内金坛地区盐层特点，首先对盐穴气库快速造腔机理及方法进行研究，然后根据快速造腔方法及流体射流空化理论研制出快速造腔工具，同时在造腔工艺及参数、故障预测及诊断等方面进行了优化研究，以加速造腔进度；课题研究成果对今后大规模推广快速造腔工艺技术奠定了基础，为加速腔体溶漓进度提供了技术保证。主题词：储气库、盐穴、快速造腔、机理、造腔工艺0 引言盐穴储气库腔体的溶漓过程是一项复杂的系统性工程，目前国内外在快速造腔领域还没有一项成熟的技术。如果采用常规的注淡水排卤水造腔工艺，盐穴储气库溶漓盐腔的时间就会很长（据计算一个25万方的溶腔大约需要三年多的时间才能溶漓完成），这难以满足“西气东输”工程的迫切需要，甚至将影响长江下游一带天然气用户的安全用气。为了有效缩短建库时间，满足国家重点项目“西气东输”工程的整体规划，特开展盐穴储气库快速溶腔技术研究。图1 岩盐表面粗糙度对溶蚀速度的影响本文以我国第一个水溶建库先导试验井金资1井作为研究对象，首先详细论述了该地区的岩盐溶蚀机理，分析了影响岩盐溶蚀速度的主要影响因素；然后提出了多种提高溶腔速度的造腔方法，研制出实现快速溶腔的专用工具；最后结合金资1井溶腔的具体条件，给出了该井造腔工艺参数、故障快速响应和密度自调节系统的优化设计。研究成果形成一整套具有独立知识产权的快速造腔配套技术，为在金坛地区快速建造安全可靠的储气库提供了坚实的技术保证。1 岩盐溶蚀机理及影响因素分析1岩盐溶蚀主要受自由对流的控制，溶蚀速度主要受与之接触的卤水浓度影响。依据边界层理论，R.W. Durie和F.W. Jessen（1964）2针对垂直、光滑的岩盐表面推导出溶蚀速度基本方程 （1）式中：Cs 浓度差，mol/l；D扩散系数，cm2/s；V运动粘度，cm2/s；H溶蚀高度，cm 由方程（1）可以看出岩盐溶蚀速度主要受卤水浓度差、卤水粘度和扩散系数的影响。图2 岩溶表面倾角对溶蚀速度的影响图3 淡水流速对岩盐溶蚀速度的影响在实际地层中，岩盐表面不是绝对光滑的，溶蚀表面也并不总是垂直的，因此岩盐真实溶蚀速度要受到其表面光滑程度、溶蚀面倾角、环境温度、盐层性质、流速以及添加剂等因素的影响。根据室内实验研究发现，在水溶过程中，由于岩石组成的非均质性导致盐表面溶蚀不均，造成表面粗糙，增加了溶蚀表面，从而增加了盐溶速度，如图1所示。盐溶表面倾角对盐溶速度也有很大的影响，当水在盐表面之上（即00）时，盐溶速度减慢，当水在盐表面之下（即00）时，盐溶速度加快，如图2所示。A.Saberian在1976年进行了实验研究，得出淡水中溶蚀速度与淡水流速的关系图，如图3所示。从中可以看出低流速下淡水流速对溶速基本无影响，随着流速的进一步提高，溶速随着流速的升高而加快，当流速达到一定值以后，溶速的增加渐缓。虽然环境温度对岩盐溶解度影响不大，但温度对岩盐溶蚀速度有较明显的影响，随着温度的升高，岩盐溶蚀速度是逐渐增高的，图4给出了不同摄氏温度条件下岩盐溶蚀速度随卤水浓度的变化曲线。图5 不同盐类的溶蚀速度图4环境温度对岩盐溶蚀速度的影响岩盐并不是仅由纯的NaCl组成，还含有其他盐类及不溶物。不同盐类溶速不同，在NaCl水溶液中，其它氯盐的溶速都高于NaCl，而MgSO4H2O和K2SO4的溶速低于NaCl，如图5所示。研究还发现盐中不溶物夹层也可以加速盐层溶蚀，盐层越薄，溶速越快。2 快速溶腔方法优选盐穴储气库常规溶腔过程是一个复杂的流体动力学和化学动力学过程，其实质是在浓度差下依靠分子扩散作用实现溶腔，是一种静态盐溶机理。而快速溶腔过程则涉及的影响因素更多，溶腔过程也更加复杂，其实质是在对流扩散、机械破碎、化学分解等联合作用下实现溶腔，是一种动态盐溶机理。根据快速溶腔机理及影响岩盐溶蚀速度的因素可知，加快盐穴储气库溶腔速度的方法主要有以下几种：开始溶腔之前，首先采用扩眼钻头将盐层段井腔直径扩大到0.6m左右，增大岩盐与淡水的接触表面，加速岩盐溶蚀速度。造腔初期利用机械式造腔工具，在盐腔内形成一定的水射流和机械搅拌作用，水射流和机械搅拌均以有效改变腔内流体流态，人为增大对流扩散作用，同时利用水射流也可以起到水力破碎岩盐的作用，加快造腔速度。造腔过程中，可以通过优化造腔工艺，例如采用自下而上的造腔工艺、采用改变腔壁流体浓度或者增大注水排量等方法来实现改变岩盐溶蚀倾角和腔内流体浓度的目的，从而实现快速造腔。造腔过程中，也可以通过向腔内注水蒸汽来改变腔内流体温度，实现加速溶腔的目的，但这种方法的成本一般较高。储气库溶腔期间，也可以通过向注入流体中加入适量的添加剂来实现化学促溶的目的，但目前国内外在加速岩盐溶蚀速度的添加剂方面的研究尚处于起步阶段。通过上面的分析可知，前三种造腔方法的现场可操作性更强一些，而且经济成本较低，为此金资1井拟采用前三种方法来加速盐穴腔体的建造进度。3 快速造腔工具性能分析根据上面分析可知，加快盐穴气库溶腔速度，造腔工具起了非常重要的作用。深入分析和研究不同造腔工具性能对提高溶腔速度和控制溶腔形状具有重要的意义。金资1井建槽期拟采用喷嘴式造腔工具和软管式造腔工具来加速溶腔速度。其中软管式造腔工具如图6所示，喷嘴式造腔工具和软管式造腔工具基本结构是一样的，只是缺少其中的软管部分。图6 喷嘴式或软管式造腔工具示意图造腔初期，喷嘴式造腔工具在水力作用下由转轴带动喷头旋转，淡水在经过喷头上的喷嘴后形成空化射流，从而实现水力破碎岩盐，同时也有效地改变了井腔内流体流态，加速了岩盐的溶解。当腔体尺寸达到一定直径时，喷嘴式造腔工具的有效作用距离达不到腔壁时，即可采用软管式造腔工具来加速岩盐的溶解。软管式造腔工具不仅可以起到改变腔内流态，也可以依靠软管弯曲来改变腔壁卤水浓度，提高岩盐溶解速度。为了充分提高空化射流在造腔中的作用，同时也为了合理布置喷嘴的个数和方位，特对两种造腔工具所使用的喷嘴水力参数计算如下：1）射流冲击力Fj由水动力学原理可知，射流冲击力表达式为式中 Fj射流冲击力，N；c喷嘴流量系数，无因次；A喷嘴出口截面积，m2；P喷嘴压力降，MPa。例如，取流量系数0.95，喷嘴压降为16MPa，单喷嘴直径为6mm，则2）喷嘴水功率N根据水力学原理，喷嘴水功率表达式为式中：N喷嘴射流水功率，kw；P喷嘴压力降，MPa；Q排量，m3/s。例如，如果井下射流压力为16MPa，总排量为40m3/h，则井下清洗射流水功率为3）喷嘴当量直径de已知喷嘴压力降和排量，则当量喷嘴直径可由下式计算： 式中：de喷嘴当量直径，cm；液体密度，g/cm3；Q1排量，L/s。若喷头上n个等直径喷嘴均布，则每个喷嘴的直径为： 假设喷嘴压力降16MPa，总排量为40m3/h，则喷嘴当量直径为：图7沿程压耗、循环泵压与注水排量的关系如果造腔工具中使用3个喷嘴，那么三个喷嘴的平均直径d=5.26mm。4 快速造腔工艺及参数设计造腔参数的优化设计对于提高溶腔速度具有非常重要作用。其中造腔管柱沿程压耗、循环泵压和驻水排量之间的关系是选择造腔管柱的主要依据。造腔管柱选择是否合理直接影响到溶腔速度和能源的消耗量。金资1井拟采用177.8套管+114.3油管的造腔管柱组合，此种管柱的沿程损耗、循环泵压与注水排量之间的关系如图7所示。金资1井建槽期造腔采用单井单腔，自下而上的造腔工艺，造腔过程中采用柴油作为油垫来控制腔体形状的合理发展，其中油垫的设计参数如表1所示。金资1井水溶建腔参数的设计是优化造腔过程，充分利用不同造腔工具性能加速溶腔的重要技术依据，具体设计结果如表2所示表1 金资1井建槽期油垫设计参数表建槽阶段划分高压射流阶段软管促溶阶段腔体最大直径(m)1.2m14m油垫位置(m)10501090油垫厚度(m)0.50.5油水界面直径(m)0.2161.2用油量(m3)1750注油口压力(MPa)4.494.62表2 金资1井建槽期水溶建腔参数设计表排量（m3/h）40404040405060中间管位置（m）1065106510651065110511051105中心管位置（m）1147112811091090114511401135造腔工具类型喷嘴式喷嘴式喷嘴式喷嘴式软管式(10m)软管式(15m)软管式(20m)油垫位置（m）1050105010501050109010901090最大直径（m）1.281014腔体顶部直径（m）0.2160.2160.2160.2最大直径位置（m）1149112911091089114011351130溶蚀体积（m3）134.7112.367.444.91833.51782.51527.9累计体积（m3）134.7247314.4359.32192.83975.35503.2循环方式正正正正正正正溶蚀时间（天）32.51.511814105 快速造腔配套工艺设计盐穴气库造腔过程是一个系统性工程，提高造腔速度除了主要从岩盐溶解机理和影响因素着手外，还应从造腔过程中的一些辅助工艺进行优化设计。例如：造腔过程中运行故障排除的快速响应设计、造腔井口注排流量自动调节系统设计等都会对溶腔速度产生一定的影响。盐穴气库造腔过程中，不可避免的将会遇到造腔管柱的弯曲、断裂、堵塞、盐结晶等一些故障，如何快速处理这些故障，直接影响到造腔的整体速度；造腔井口检测表读数异常、井口阀门和仪表等配件的日常维护同样也需要快速响应，否则可能出现一些意外的故障。为此，针对金资1井建槽期可能出现的一些故障及处理方法进行了快速响应设计，设计结果如表3所示。表3 造腔过程中可能出现的故障及相应的解决方法故障征象可能的原因补救措施注入水压力上升，流率降低，以及在反向溶采过程中出现不溶物数量增加中心管末端周围有不溶物聚积检查总深度，必要时切断中心管水压降低，流率增大，卤水比重降低中心管泄漏进行井温测井，确定泄漏位置，并拉出中心管维修注入水压上升，流率降低，卤水压力降低，采出卤水饱和1.中间管上游的流动面上有盐晶体聚积使中间管注入水平齐或注清水冲洗2. 环形空间中污垢聚积进行酸处理或采用其它除垢方法饱和卤水中泛有油光或者油味，柴油压力降低1. 中间管发生泄漏进行井温测井，查找泄漏点，起出中间管维修2.中间管可能有损耗进行测井，检查中间管深度3. 环形空间中柴油溢出进行界面测井，确定柴油/卤水界面深度柴油压力降低，但注入压力、卤水压力或盐度没有降低。油水界面降低连续几天检查盐穴特征，采用界面测井法，注入柴油注水压力上升，流率降低，反向溶采出现同样情况中心管和环空出现砂堵现象注高压清水冲洗，必要时起出管柱进行修井；每次造腔中断是应首先关闭注水口，防止卤水倒流。图7 密度自调节系统示意框图造腔过程中，注水和排水效率直接影响到造腔速度和淡水的利用率。金资1井设计过程中专门通过计算机来控制注水口和卤水出口密度差值以实现自动调节卤水排量，提高注水排水效率，加速溶腔建造速度。其中密度自调节系统示意图如图7所示。6结论盐穴气库快速造腔技术研究在国内外都是一个崭新的领域，课题在岩盐溶蚀机理、造腔工具的研制、造腔工艺参数的优化、以及配套工艺方面进行了深入研究，主要得到以下结论：盐穴气库快速溶腔过程受到强化对流扩散、机械破碎、化学分解等联合作用，是一种动态盐溶机理。机械破碎、水力破碎、强化循环、物理化学促溶是提高溶腔速度的主要方法，也是造腔领域今后主要的攻关方向。盐穴气库造腔过程是一项复杂