金坛盐穴地下储气库注采完井及注气排卤技术研究.doc

金坛盐穴地下储气库注采完井及注气排卤技术研究袁进平 庄晓谦 申瑞臣中国石油集团钻井工程技术研究院摘 要： 盐穴地下储气库是利用地下较厚的盐层或盐丘，采用人工方式在盐层或盐丘中水溶形成洞穴储存空间来存储天然气，是储气库主要类型之一。该类型储气库具有安全性高、容量大、注采速度快、运行成本低的优点，在美国、法国、德国和俄罗斯等国已经得到了很好的应用。盐穴建成后第一次注气排卤及注采完井是盐穴储气库建造和应用以及盐穴储气库安全运行的关键，在国外对盐穴储气库注气排卤技术进行了很多研究，形成了配套技术。在国内盐穴储气库的注气排卤及注采完井工艺技术研究方面还处于空白。本文针对我国金坛盐穴储气库的特点，进行了注气排卤及注采完井工艺技术研究，通过研究形成了我国盐穴储气库注气排卤及注采完井配套工艺工艺技术，并成功运用于金坛盐穴储气库已有溶腔改造6口井中，填补了我国盐穴储气库的注气排卤及注采完井工艺技术空白。关键词：盐穴储气库 注气排卤 注采完井 排卤管柱 安全控制系统 不压井作业 1概述地下储气库是将从天然气田采出的天然气重新注入地下可保存气体的空间而形成的一种人工气田或气藏。地下储气库建设是解决天然气有效利用和安全利用的关键，是长输天然气管网下游的重点配套设施。盐穴地下储气库是利用地下较厚的盐层或盐丘，采用人工方式在盐层或盐丘中通过水溶形成洞穴储存空间来存储天然气，是储气库主要类型之一。该类型储气库具有安全性高、容量大、注采速度快、运行成本低的优点，在美国、法国、德国和俄罗斯等国加已经得到了很好的应用，盐穴储气库的建造技术在国外已经是一种成熟的应用技术。盐穴建成后第一次注气排卤以及配套的注采完井工艺技术是盐穴储气库建造和应用的关键，国外在盐穴储气库建造中对注采完井及注气排卤技术进行了很多研究，解决了很多技术难题，研制了一批专门用于注采完井及注气排卤的工具，形成了注采完井及注气排卤配套技术，为盐穴储气库的建设提供了可靠的技术保障。国内在盐穴储气库的注采完井及注气排卤工艺技术方面还处于空白。随着我国“西气东输”管线的全线贯通，为了保障管线安全供气，与之配套的储气库急需尽快建成，通过选址在江苏金坛盐矿建设我国首座盐穴储气库。金坛地下储气库建设在江苏金坛盐矿区域内，该盐矿位于茅山东麓，地貌上属于太湖水网平原区，西北部为平原区与茅山山地交接处的低丘环绕，地势相对较高，高程10m30m。北部地形相对平坦，地势低洼，高程2.5m10m。库区东南至西北方向约4.2km，东北至西南方向约2.1km，所涉及库区面积约8.9km2。库区内计划将改造利用6口已有溶腔和建设57口新腔作为储气库使用。6口已有溶腔已经改造完成，作为建库的关键技术注采完井及注气排卤工艺技术现场急需运用，为了满足金坛盐穴储气库建库工程的需要，发展我国盐穴建储气库技术，根据金坛盐穴储气库的实际情况进行了注采完井及注气排卤技术研究。2注采完井及注气排卤工艺研究（1）盐穴储气库注采完井的特点盐穴储气库是利用岩层或盐丘中的腔体储存天然气，与枯竭油气藏储气库和含水层储气库相比具有以下特点：1）储存方式不同盐穴储气库气体储存在大的空腔中，气体集中，注采气阻力小，井眼密封一旦失控，无法补救；枯竭油气藏储气库和含水层储气库气体储存在岩石缝隙或孔洞中，气体分散，注采压力较大。2）注采速度快盐穴储气库注在紧急情况下，可以大排量注采，注采速度快；枯竭油气藏储气库和含水层储气库注采速度受地层条件限制，注采速度取决于储层性质。3）注采管柱直径大盐穴储气库首次注气必须将腔体内的卤水排出，在注采管柱内必须下入排卤管柱，而且注采排量大，所需的注采管柱直径大，注采管柱配套工具选配困难；枯竭油气藏储气库和含水层储气库，没有排卤需要，注采管柱直径相对盐穴储气库较小。4）施工工艺复杂盐穴储气库首次注气必须将腔体内的卤水排出，排完卤后一般要求将排卤管柱取出，施工工艺复杂。（2）注采及排卤管柱需达到的功能1）符合气库总体规划的要求；2）满足地面工程配套设施正常生产； 3）满足应急调峰大产量生产的需求；4）满足首次注气排卤后取出排卤管柱的需要；5）在管柱的下部坐封封隔器封隔油套环空；6）根据防腐方案要求油套注环空保护液保护套管；7）温度变化管柱伸缩时能自动消除管柱伸缩应力；8）地面发生紧急情况可以实现井内关井，保证井下安全。（3）注采方式优选为了达到注采及排卤管柱的功能，进行了注采方式的调研分析研究，国外常用的注采方式主要有油管注采、光油管环空注采和油套管合采三种方式，三种方式有各自特点。根据金坛盐穴储气库对注采管柱的要求，必须考虑井下异常情况下高压气流的快速控制，注采气过程井流物对套管、油管的腐蚀，强注强采需要，还应考虑完井管串拥有较长的使用寿命。在储气库注采井管柱设计中，为了保证注采井有效安全控制应使用井下安全阀，在井筒高压气流失控时，实现井下通路与地面的快速安全切断。为有效保护套管，延长井筒使用寿命，选择使用封隔器，封隔器能够防止储层流物腐蚀上部套管。为了达到以上要求，通过优选，选择了油管注采气方式。（4）注气排卤工艺方案通过国外注气排卤方案调研，根据国内现有装备水平及技术能力，优选了注气排卤后起出排卤管方案作为金坛盐穴储气库注气排卤方案。该方案工作原理见图1所示，将注采管柱和排卤管柱按设计要求下入井内，安装井口和地面排卤管线和注气管线，打开注采阀门，经过压缩机加压后的高压天然气便源源不断输入注采管和排卤管环形空间，由于受气体压力的作用卤水便源源不断通过排卤管排出地面，排卤结束后，通过不压井作业方法将排卤管柱起出，此时井底压力还没有达到储气库的储气最高压力，通过注采气阀门继续注气到储气压力，即可进行正常注采气。有紧急情况需关闭储气库时，从地面将油管液动安全阀与地面连接的液压导管中的压力放掉，安全阀立即关闭，正常时用手压泵加压使安全阀打开。卤水天然气20导管，固井133/8套管，固井95/8套管，固井41/2排卤管柱环空保护液7注采管柱封隔器7坐落接头41/2坐落接头图1 注气排卤工艺方案图 3注采及排卤管柱组合根据金坛盐穴储气库的需要，进行了大量室内研究和计算，确定了注采管柱和排卤管柱结构，依据现场实际要求进行了注采管柱及排卤管柱配套工具组合研究，确定了管柱组合，注采和注气排卤管柱组合见图2所示。注采管柱主要由气密封套管、安全阀（带控制管线）、流动短节、密封锚、封隔器和坐落接头以及引鞋组成。排卤管柱主要由气密封油管和坐落接头组成，当注气排卤结束后，用钢丝作业下入堵塞器，封堵排卤管内通道。图2 注采及注气排卤管柱组合结构示意图4采气树及注气排卤井口装置结构研究金坛盐穴储气库所用采气树与常规采气树达到的功能和要求不一样，常规采气树只有采气功能，而盐穴储气库采气树除了满足注采气需要的同时还要满足注气排卤和起排卤管柱的需要，根据需要开展了采气树及注气排卤井口装置结构研究，设计出了详细的井口结构图（见图3所示）。注采套管头总成注气排卤采气树总成套管头12345678910111213141517181916序号名称规格1套管95/82注采管73排卤管41/24闸阀21/165K5套管头135/8 5K TOP BTM 卡瓦连接,套管挂11 x 95/86闸阀21/165K7注采套管头135/8 5K TOP BTM& 11芯轴式套管挂 11 x 7可穿越1/4控制管线8控制管线1/49下主闸阀71/165K10安全阀71/165K11下盲板法兰51/85K12翼闸阀51/85K213节流阀51/85K14油管头71/165K芯轴式油管挂15上闸阀71/165K16排卤四通5K17排卤阀51/85K18上盲板法兰51/85K19采气树帽71/165K图3 注气排卤及注采井口采气树结构示意图 该采气树具有以下功能： （1）具有注采气能力；（2）满足注气排卤需要；（3）满足注气排卤后起排卤管柱的需要；（4）具有密封可靠（金属密封作用），使用寿命长；（5）能够整体穿越安全阀控制管线；（6）具有井口安全控制阀；（7）具有盐水防腐性能；（8）满足金坛盐穴储气库具体工况要求。5注采管柱及井口安全控制系统地面安全阀熔断塞高低压传感器液压管线单井控制盘井下安全阀液压管线 为了保证盐穴储气库运行安全，开展了注采管柱及井口安全控制技术研究，确定了使用封隔器带井下安全阀实现井下安全控制的方案，井口使用地面安全阀和高低压以及高温控制 图4 安全控制系统示意图开关组成的安全控制方案，两方案统一由地面控制系统控制。根据金坛盐穴储气库情况，为了确保储气库井运行安全，设计了注采安全控制系统（结构示意图见图4所示），该系统主要由井下安全阀、采集压力信号的高低压传感器、熔断塞、井口安全阀和单井控制盘组成。该注采井的安全控制系统应具有以下功能：（1）在发生火灾情况下，可以自动关井；（2）在井口压力异常时，可以自动关井；（3）在采气树遭到人为毁坏和外界破坏时，可以自动关井；（4）在发生以上意外，自动关井没有实现时，或者其它原因需要关井时，可以在近程或远程实现人工关井；（5）能够实现有序关井，保护井下安全阀。6不压井起排卤管柱技术研究 排卤管排完卤后需起出排卤管，这样井下安全阀才能起作用，实现井下有效图5 辅助式不压井作业装置照片 控制，针对起排卤管柱时井内充满了天然气，开展了起排卤管柱工艺方案研究，确定了排卤后使用不压井作业装置将排卤管起出的注气排卤方案。选择了辅助式不压井作业装置（装置结构图片见图5所示）起排卤管柱。该装置具有搬家安装容易，时间短；作业费用低；需要的作业人员少等优点。7施工工艺研究（1）针对现场下注采管柱和排卤管柱的具体困难，开展了下注采及排卤管柱施工工艺措施研究，根据现场实际情况制定了完善的下注采管柱及下排卤管柱的施工工艺措施。（2）根据注气排卤实际情况，进行了注气排卤施工工艺措施研究，制定了注气排卤施工操作程序，通过研究确定了注气排卤施工参数，并根据注气排卤有可能出现的事故及复杂情况制定了相应的预防和处理措施。（3）根据国内实际装备情况，针对起排卤管柱的具体难点，开展了起排卤管柱施工工艺措施研究，制定了现场起排卤管柱施工作业程序，并根据可能出现的复杂情况，制定了详细的处理技术措施。8现场运用情况（1）2006年3月开始进行了金坛储气库六口已有溶腔井注采及排卤管柱下入现场实施，进行了跟踪研究和技术服务，解决和处理了在施工过程中出现的各种难题和复杂问题，成功完成了6口已有溶腔井注采管柱和排卤管柱的下入。图6为金坛盐穴储气库西1完井作业后井身结构示意图。（2）注气排卤技术从2006年10月开始现场应用，现已完成5口已有溶腔的注气排卤作业，共注入天然气9393.6万方，排出卤水71.7万方。（3）现已开始了起排卤管柱作业，已经成功完成了2口井排卤管柱的堵塞。图6 西1井完井作业结束后井身结构示意图 9结论及认识（1）通过广泛调研和研究，完成了我国第一个盐穴储气库注采完井及注气排卤完井方案的设计，确定了注采管柱和排卤管柱组合；（2）完成了注采管柱和排卤管柱的优选设计及管柱配套工具优选，注采及注气排卤井口采气树结构以及气库运行安全控制系统的设计；（3）制定了一套现场下注采管柱和排卤管柱的实施程序，通过现场六口井的实践，表明制定的措施切实可行，解决了盐穴储气库注采及排卤管柱下入难题；（4）制定了一套现场注气排卤实施方案和操作程序，并对可能出现的复杂和故障提出了避免和解决的措施和方案，为金坛盐穴储气库注气排卤施工提供了技术保障；（5）通过研究，提出了利用不压井作业装置起排卤管柱技术方案，制定了一套详细的注气排卤后起排卤管柱操作程序，并对起排卤管柱过程中可能出现的复杂情况制定了详细的处理方案和措施，确保起排卤管柱顺利；（6）通过现场5口井的运用，形成了盐穴储气库注采完井和注气排卤工艺配套技术，填补了国内盐穴储气库注采及排卤管柱和注气排卤完井技术空白；（7）盐穴储气库注采及注气排卤工艺技术研究在国内首次进行，还有许多完善的地方，建