反循環造腔技術在鹽穴儲庫建腔中的應用探討

摘 要：為加快鹽穴儲庫造腔進度，節約建腔成本，在建槽前期采用正循環獲得一定不溶物底坑之后采用反循環方式進行造腔。在反循環造腔過程中，通過調整造腔管柱下深、墊層位置、注水量等參數對腔體形態進行控制，在確保腔體形態的基礎上加快造腔進度。經過現場實踐，反循環造腔技術在鹽穴儲庫造腔中是可行的，滿足現場造腔要求。

關鍵詞：反循環造腔；造腔參數；造腔形態

1 概述

鹽穴儲庫是當今國際能源儲備和核廢料處理的重要手段。

地下鹽穴儲氣庫的建立，對天然氣的儲存尤為重要，因為天然氣是一種可燃的氣體，一旦處理不當，極易發生危險。將地下儲氣庫建于地下鹽巖之中，基于這樣一個最普通的現象：鹽溶于水。具體過程為：在打成的鹽井中，注入水形成鹽鹵，再將其抽出，不斷注水，不斷抽出，形成循環，逐漸形成地下溶洞，并用以儲氣。

地下儲氣庫的建立，說起來簡單，做起來并非易事。

鹽穴儲庫造腔的注水循環方式有正循環和反循環兩種，因注水水動力和濃度場分異的影響，兩種循環方式在建腔速度和成本及腔體形狀上均有差異：正循環鹵水濃度低，建腔速度慢，建腔成本高，但腔體形狀易控制；反循環鹵水濃度高，建腔速度快，建腔成本低，但腔體形態不易控制。文章著重研究反循環方式造腔的可行性，對加快鹽穴儲庫造腔進度，提高造腔效率具有重要的意義。

2 反循環造腔方式

鹽穴儲氣庫造腔過程是一個流體動力學、化學動力學、熱動力學共同作用的結果，其實質是依靠腔體內鹵水之間的濃度差實現濃度交換，直到各鹵水層之間達到動態平衡[1-2]。

造腔過程中，腔體內的鹵水濃度從上到下由低到高分布[3]。采用反循環方式，淡水出口接近造腔頂部，對腔體上部進行充分的溶解，溶解出的低濃度鹵水可以通過濃度差和重力的作用以出口為中心向底部和四周傳播實現濃度之間的交換，傳播速度快，所以腔體頂部和側面的溶蝕較快，且排出的鹵水濃度高；采用正循環方式溶腔，淡水出口接近腔體底部，可以對溶腔底部進行充分溶解，高濃度鹵水向上部低濃度鹵水層傳播速度慢，從而導致正循環溶腔溶蝕速度慢，排出的鹵水濃度較低[4-7]。

正、反循環注水方式和腔體內濃度場分布決定了正反循環造腔形態的不同。在實際造腔過程中，由于腔體頂部采用墊層保護防止腔體上溶，受墊層影響，正循環易形成上部小，下部體積大的腔體，最大直徑位于中間管和中心管之間，而反循環方式易形成上部大，下部小的錐形，最大直徑通常位于墊層位置附近，造腔過程中典型的正反循環腔體形態如圖1所示。

3 造腔基本情況介紹

為探尋反循環造腔技術在儲庫造腔中的可行性，選取江蘇某地區1#井和2#井進行現場試驗。擬通過在建槽期、建腔中期和建腔后期采用反循環方式進行造腔，驗證反循環的可行性。

3.1 地質條件

1#井和2#井位于江蘇某地區JT盆地ZXQ凹陷南部，含鹽系分布于阜寧組四段。兩口井含鹽層基本情況如表1所示，含鹽段深度接近，鹽層厚度分別為176.5m、162.6m，鹽巖層中含有泥質夾層，泥巖總層厚度占巖層厚度分別為11.5%、11%，總不溶物含量分別為12%、12.4%。從造腔地質條件看，兩口井鹽層和泥巖層均未出現層位缺失現象，造腔過程中具有較強的可比性。

3.2 造腔管柱方案

為便于研究，兩口井均為單井單腔，采用95/8\"×7\"×41/2\"的管柱組合進行采鹵造腔。95/8\"-7\"管柱環空注入柴油形成墊層控制腔體頂部巖層的溶蝕，通過調整墊層上移位置來控制頂部巖層的溶蝕速度，以此來控制腔體的形態。41/2\"和7\"-41/2\"環空形成輸送通道，根據循環方式的不同，分別輸送淡水和鹵水。

3.3 注水方式

2口井淡水均由同一注水系統提供，注水壓力0-5Mpa。井口注水壓力和流量受井底壓力、注水管柱損耗和閥門開度等條件影響，略有不同。

3.4 造腔結果

為便于描述，根據測腔次數，將1#、2#井造腔分成若干階段。1#井進行了4次測腔，對應3個階段，其中第1次為建槽期，第2、3次為造腔中期，第4次為造腔后期。2#井進行了5次測腔，其中第1次為建槽期，第2、3、4次為造腔中期，第5次為造腔后期。測腔結果如圖2所示。

4 建槽期反循環的應用

根據國內外經驗，建槽期采用正循環造腔，通過墊層控制造腔段高度，腔體體積達到設計總體積的10%左右結束建槽期建設。

1#、2#井設計體積為18萬方左右，建槽期體積約2萬方左右。根據正反循環造腔特點，為探尋反循環造腔控制技術，1#井建槽初期進行正循環造腔，當造腔體積達到約8500m3時進行反循環造腔。2#井一直采用正循環方式進行造腔至建槽期結束。以下是2口井在建槽期的對比情況：

4.1 造腔參數及測腔結果

1#井造腔中間管和中心管兩口距28.9m，造腔時間共241天，首先采用正循環方式造腔108天，之后反循環造腔131天，平均淡水注入量為32m3/h，2#井造腔中間管和中心管兩口距28m，一直采用正循環方式造腔220天，平均淡水注入量為48m3/h。測腔結果如表2所示。

4.2 造腔速度

根據測腔體積，1#井造腔時間為241天，平均每天造腔量為94m3/d，2#井的平均造腔量為109m3/d，是1#井的1.16倍，但注水量卻是1#井的1.5倍。

1#井采用反循環造腔131天，由于造腔中途改用反循環，腔體體積難以測量，采用采出鹽量折算腔體體積的方法就行估算。1#井平均每天采鹽量為227.45t，折算成造腔體積為104m3/天，所需淡水量為768m3；2#井平均每天采鹽量為258t，折算成體積為120m3/天，所需淡水量1152m3。

1#井采用反循環后造1m3腔體所需淡水量為7m3，2#井采用正循環造1m3腔體所需水量為10m3。由此可以看出，在相同注水條件下，反循環造腔的速度要高于正循環，節約淡水用量和注水能耗，縮短了造腔建設周期，節約投資。

4.3 造腔腔體形態

由圖1、2中可以看出，建槽期正反循環造腔獲得的腔體形態均可描述為上部圓臺、下部圓錐的結構。反循環腔體直徑隨深度變化較大，頂部直徑最大而底部直徑接近0m，正循環腔體在接近溶腔中部的位置直徑最大，直徑隨深度的變化比較平緩，未出現類似于1#井尖錐形態。

第2次測腔，1#、2#井腔體體積分別為58994m3、60355m3。由于兩口井管柱下深和墊層位置不一致，1#井造腔段高度為42m，不溶物體積約14000m3，由圖2中可以看出腔體抬升明顯，抬升高度為15m，底部圓錐部分已經完全埋沒。而2#井造腔段為30m，不溶物體積只有3000m3左右，腔體底部未發生明顯抬升。

2#井在第3次測腔，造腔高度為44m，不溶物體積達到13000m3，與1#井第2次不溶物體積相當，而2#井腔體底部抬升只有10m左右，腔體底部空間利用率高。

由此可以看出，在兩口距30m左右的情況下，建槽期在正循環腔體足夠大的情況下可采用反循環方式，要提前采用反循環方式造腔，需要減小兩口距。

5 建腔中期反循環的應用

建腔中期，為加快造腔進度，提高造腔效率，采用反循環造腔方式。在造腔過程中通過調整中間管和中心管下深，配合調整墊層進行腔體形態控制。此種造腔方式，中間管位于階段造腔腔體最大直徑位置，管柱調整為主要控制手段，調整次數多（3-4次），每次造腔時間為150天左右，墊層調整為輔。

JT儲庫在建腔中期造腔過程中雖然仍采用反循環方式，但采用的是以墊層調整為主，管柱調整為輔的新型的造腔模式。墊層距離中間管管口2-40m，中間管下深至腔體頂部附近，中心管下到腔的中下部。在造腔過程中適時調整墊層位置以控制泥質夾層垮塌時機和腔體形態。采用此種造腔方式，管柱調整次數降低至2-3次，根據巖層地質情況確定墊層調整次數和調整時機，這樣降低了造腔過程中的施工次數和施工周期，增加了造腔有效時間，加快了造腔進度。同時，反循環提高了鹵水濃度，致使造腔效率大幅度提高。圖2是兩口井歷次測腔結果圖，腔體形態完全符合設計要求并優于設計。

6 建腔后期反循環收口

根據反循環對腔體形態的發展特征和墊層調整對腔體形態的控制，結合兩井的地質特征，建腔后期收口依然采用反循環方式，所不同的是需要控制中間管與腔頂的距離和墊層距中間管管口距離，同時中心管下到腔底，控制注水流量，適當增加正循環注水時間，占階段注水時間的1/4-1/3。圖3是兩口井造腔結束后測腔結果，腔體形態均優于設計，1#井形態更穩定。1#、2#井腔體體積分別為19.3萬方和18.2萬方，也優于設計。

7 結束語

（1）反循環造腔返出鹵水濃度高，建腔速度快。在相同注水條件下，反循環造腔的速度要高于正循環，縮短了造腔建設的周期。

（2）建槽期開始使用正循環腔體，何時采用反循環方式造腔須根據巖層地質條件和兩口距大小確定。

（3）在建腔中期，采用反循環方式，中間管下深至前一階段腔體頂部，中心管下至腔體底部，可明顯降低腔底抬升速度。適時調整墊層位置以控制泥質夾層垮塌時機和腔體的發育形態。

（4）在建腔收口期，可采用正反循環交互方式。

參考文獻

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