鹽穴地下儲氣庫密封性的測試與評價

耿堯辰

（中國天辰工程有限公司工藝系統部，天津 300400）

鹽穴地下儲氣庫（簡稱“鹽穴儲氣庫”）是在較厚的鹽層或鹽丘中通過水溶形成的用于儲存天然氣的人工洞穴[1]。鹽穴儲氣庫的密封性（即機械完整性）直接關系到儲氣庫的儲存能力及運行安全[2-4]，在儲氣庫的建造期乃至運行期應對其密封性進行測試與評價，以確保儲氣庫可以長久安全運行。

1 測試區域

整體鹽穴儲氣庫系統的密封性主要由注采氣井密封性和腔體（包括腔頸）密封性兩部分組成。一般來說，大多數的密封性測試仍僅對注采氣井的機械完整性進行評價，其原因主要歸納為以下兩個方面。

1）從工程角度來講，鹽巖的滲透率非常低，因此幾乎可以認為鹽巖是不可滲透的。相比于腔體（包括腔頸），天然氣從注采氣井處泄漏的可能性則大得多。

2）腔體的體積一般大于100000 m3，如果將腔體及注采氣井作為整體進行測試，測量誤差大。如果僅對體積較小的注采氣井進行測試，則測試的靈敏度及準確性高。

基于上述原因，一般只進行注采氣井的密封性評價，而對注采氣井密封性的評價主要是為了測試最后固井套管鞋處的機械完整性。

2 測試壓力

一般來說，最后固井套管鞋處的測試壓力不應大于腔體的最大許用操作壓力，而最大許用操作壓力應由鹽穴的埋深及其所處區域地層的巖石力學性質來確定。

3 測試流體

測試流體一般選用氣體（氮氣）或液體（燃料油）作為測試流體，由于氮氣的黏度遠遠低于液體，使用氮氣可以檢測到非常微小的泄漏，因此最常選用氮氣作為測試流體。

4 測試方法

按照測試標準的不同，主要分為定性測試法和定量測試法兩種方法。

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4.1 定性測試法

API RP 1114 水溶洞穴地下儲庫設施的設計推薦作法中介紹了一種氮氣-鹵水測試（Nitrogen and Brine Test，NBT）法[5]，其為典型的定性測試法，該測試方法以腔體壓力及氣水界面的變化來判斷系統密封性是否合格。然而除了泄漏之外鹽巖蠕變、鹵水熱膨脹以及鹵水滲透等因素也可導致腔體壓力及氣水界面的變化[6]。測試時上述因素綜合在一起將對測試結果產生復雜的影響，對系統密封性的評價造成干擾，降低了測試的準確性。

4.2 定量測試法

定量測試法通過電測工具等儀器獲得測試期間井內溫度，壓力及氣水界面位置等參數，根據上述參數計算出不同時間點的井內氮氣總質量，進而利用質量平衡原理計算出氮氣的表觀泄漏速率，以精確評估整體鹽穴儲氣庫系統的密封性。

4.2.1 計算

4.2.1.1 腔體預充壓的相關計算

在注入氮氣前應先注入飽和鹵水預充壓腔體，使最后固井套管鞋處的壓力接近腔體的最大許用操作壓力。在實際泵入鹵水的過程中，應通過監控井頭處的鹵水壓力來控制最后固井套管鞋處的壓力。

1）井頭鹵水壓力的計算

式中：Pwh,B為預充壓時井頭處應達到的鹵水壓力，MPa；Pmax為腔體最大許用操作壓力，MPa；Δp 為注氮導致的腔體壓力增量，MPa；ρbrine為飽和鹵水密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2；d 為預計的氣水界面深度，m。

式中：Vtest為（氮氣）測試空間的幾何體積，m3；Vcavern為腔體凈體積，m3；K為腔體壓縮因子，MPa-1。

式中：Vbrine為泵入的飽和鹵水量，m3；ΔP 為腔體壓力變化量，MPa。

4.2.1.2 井頭氮氣最大測試壓力的計算

當腔體預充壓結束且井頭的鹵水壓力穩定后，可以開始注入氮氣。與腔體預充壓一樣，應通過監控井頭處的氮氣壓力來保證最后固井套管鞋處的壓力不超過腔體的最大許用操作壓力。

式中：Pwh,N為井頭氮氣最大測試壓力，MPa；dLCCS為最后固井套管鞋深度，m；R為氮氣氣體常數，J/(kg·K)；Z 為氮氣壓縮因子，無量綱；T 為氮氣平均溫度，K。

4.2.1.3 測試空間內氮氣質量的計算

氮氣作為可壓縮流體，即使在恒溫條件下也會由于氣體靜壓力的影響而在垂直方向上存在著密度梯度，由于測試空間的垂直跨度達上千米，因此該密度梯度不可忽略。同時，測試空間內的氮氣也會由于地層傳熱而在垂直方向上存在溫度梯度。

綜合上述兩點考慮，為了保證測試空間內氮氣總質量計算的準確性，應將測試空間沿垂直方向劃分為若干區間，按照方程（4-5）來分別計算各個區間內的氮氣質量，再加和求得整個測試空間內的總氮氣質量。

式中：m 為氮氣質量，kg；p 為氮氣平均壓力，MPa；V 為區間的幾何體積，m3。

4.2.1.4 表觀泄漏速率的計算

通過公式4-5 計算出不同時刻井內氮氣的總質量，并根據質量守恒原理求得任意時間內的質量泄漏速率，再將此質量泄漏速率按照原位條件（最后固井套管鞋處的溫度及壓力條件）轉化為體積泄漏速率，即為表觀泄漏速率。

式中：L 為表觀泄漏速率，L/d；m1為井內氮氣的初始總質量，kg；m2為t 時刻井內氮氣的總質量，kg；Z 為溫度T 及壓力p 下的氮氣壓縮因子；T 為氮氣初始溫度及t 時刻溫度的算術平均值，K；p 為氮氣初始壓力及t 時刻壓力的算術平均值，MPa；t為測試時間，d。

4.2.2 測試標準

由于在測量不同參數（溫度，壓力及氣水界面位置）時不可避免的會產生誤差，因此通常無法證明系統100%不泄漏，即絕對密封（absolute tight）。一般來說，只要系統的表觀泄漏速率在測試評價標準范圍之內，即最大容許泄漏速率（Maximum Admissible Leak Rate，MALR）之內，則可以認為系統的密封性合格，達到了技術密封（technically tight）水平。

KBB/UGS，DBI 以及ESK 等德國公司一般選用150 L/d 作為測試標準，而其他公司，如法國的Geostock 公司等則一般選用150 kg/d 作為測試標準。

此外，系統內保持常壓的部分（固井水泥環空及緩蝕劑環空等）在測試中不應出現壓力增長，灌滿水的方井中不應出現氣泡。必須同時滿足上述標準才能認定系統的密封性合格。

5 結論

鹽穴儲氣庫的密封性直接關系到儲氣庫的安全運行以及投資效益，應在建造過程中對其進行測試與評價。密封性的測試方法主要分為定性法和定量法，由于定量法的準確度高且測量結果不受腔體蠕變等因素影響，因此通常選用定量法來測試并評價儲氣庫系統的機械完整性。