聲納測量技術在儲氣庫造穴檢測中的應用

陳金宏，戴 威，王 靜

(中國石油集團測井有限公司華北事業部 河北 任丘 062552)

·經驗交流·

聲納測量技術在儲氣庫造穴檢測中的應用

陳金宏，戴 威，王 靜

(中國石油集團測井有限公司華北事業部 河北 任丘 062552)

近年來為了實現天然氣調峰的目的，我國通過溶腔工藝建立了一批鹽穴儲氣庫，在整個建庫過程中，聲納測量技術發揮了無可代替的作用。本文主要介紹了聲納儀器的工作原理及結構組成，及其在測定鹽穴溶腔各個階段的幾何形狀，計算出腔體體積大小及分布，發現腔體內的異常變化，指導調整溶腔工藝，檢查溶腔工藝對于腔體異常變化的處理效果，預測溶腔形狀發展變化趨勢等方面的應用。

鹽穴;溶腔;儲氣庫;聲納測量技術

0 引 言

天然氣作為一種清潔的能源，在發電、民用等領域得到了越來越廣的應用，然而受日產量和管道日輸送量的限制，用氣地區常常會出現用氣高峰時氣不夠用，低谷時氣剩余的問題。為了解決這個難題，一般利用枯竭的油氣藏或溶解鹽巖層建立地下儲氣庫，通過季節調峰解決用氣峰谷期供用量間的矛盾[1]。最常見的鹽穴儲氣庫是利用采鹽井或新鉆井眼作為溶腔，經注入淡水排出鹵水的辦法進行造穴，這期間主要通過進行聲納測量后，適時調整注水管和采鹵管的相對位置，確保形成一定容積和幾何形狀的鹽穴。聲納測量技術作為目前監測鹽穴儲氣庫腔體體積及形狀的主要方法，它利用聲納測量儀器采集測腔數據后，通過計算機進行數據處理及資料解釋，最終得到精確的鹽穴腔體二維及三維數據信息，為鹽穴儲氣庫造腔過程及后期注采提供指導。

1 聲納儀器工作原理及結構組成

1.1 工作原理

聲納測量技術采用計算接收脈沖回波和發射脈沖信號之間的時間差來測量探測距離的方法，在已知所處環境的聲波速度的前提之下，只需測量聲脈沖信號往返時間即可求得探測距離[2]，即：R=(1/2)VT。R為測量距離，m；V為聲速，m/s；T為聲波信號往返時間，s。

實際測量通過測井電纜將聲納儀器沿鉆井井筒下放，聲納探頭出套管鞋后進入鹽穴溶腔腔體，在指定深度探頭水平旋轉并向腔體體壁不斷發射出聲脈沖信號，檢測回波信號，數據經測井電纜傳回地面計算機系統進行分析處理，得到當前深度上的腔體水平剖面圖。改變測量深度，則可得到腔體不同深度的水平剖面圖。再對鹽穴腔體的頂部、底部以及異常部分進行探頭傾斜旋轉測量，就可以得到聲納探頭不同傾斜角度情況下的測量信號。通過對錄取到的資料進行解釋，最終可以得到整個腔體精確的二維及三維圖像及參數。

1.2 結構組成

目前中國石油集團測井有限公司用于西氣東輸鹽穴儲氣庫腔體檢測的聲納儀器是由德國SOCON公司引進的，主要構成及功能如下：

電纜接頭：連接測井電纜馬龍頭和井下儀器，傳輸測量信號并為井下儀器提供電源。

穩定陀螺、CCL及MCCL系統：穩定陀螺能夠產生與井下儀器旋轉相反的扭矩使井下儀器快速穩定，CCL及MCCL能夠測量出單層或多層套管接箍及管鞋深度，便于校深。

壓力、溫度傳感器、聲速測量系統：測的井下儀器所處環境的壓力、溫度及聲波速度。

水平步進電機：實現聲納探頭水平旋轉。

定位羅盤、傾斜測量電機及聲納探頭系統：確定磁北方向，控制聲納探頭傾斜角度及實現聲波信號的發射接收。

2 實際檢測應用

由于鹽巖地層的不均質性，各種物質在水中的溶解程度和溶解速度不同，因此造腔過程往往具有很大的不確定性[3]。通過聲納測量，定期測取溶腔形態及體積，及時發現腔體異常變化，并以此為指導采取一定的造腔控制工藝手段進行調整，從而可以使鹽穴腔體始終遵循預期設計進行發展變化，造腔風險處于可控制范圍之內。

2.1 測定腔體形狀，計算腔體大小

利用聲納測量技術對鹽穴腔體從開始溶腔到結束溶腔的各個階段，定時進行腔體形狀及體積分布的測量，以測得結果為依據及時調整溶腔工藝，從而得到符合設計目的及達到安全要求的理想化的儲氣腔體。圖1為XX井指定方位腔體縱別面圖形，不同深度腔體體積如表1所示。

2.2 發現腔體異常變化，指導溶腔工藝調整

由于鹽穴地層的不均質性，在溶腔過程中往往存在腔體表面有的部分易溶而有的部分難溶的情況，都會為造腔過程及注采階段帶來極大的安全隱患。運用聲納測量技術，可以及時發現潛在危險，采取特定溶腔手段處理安全隱患。以圖2中的腔體縱剖面圖形為例，通過聲納測井發現腔體中上存在難溶部分，形成內凹尖峰，如果不能夠及時處理，極有可能造成后續工作出現安全事故。

圖1 XX井指定方位腔體縱剖面圖形

深度/m半徑/m面積/m2深度范圍/m部分體積/m3累積體積/m31106．019．61203．71104．2～1107．03370．53370．51108．019．81233．91107．0～1109．02467．85838．31110．019．71217．91109．0～1111．02435．88274．11112．019．41186．61111．0～1113．02373．110647．21114．019．21157．71113．0～1115．02315．312962．51116．019．21158．71115．0～1117．02317．415279．91118．017．5959．41117．0～1119．01918．817198．71120．015．1720．91119．0～1121．01441．818640．51122．012．6498．11121．0～1123．0996．119636．61124．010．2328．11123．0～1125．0656．220292．81126．07．3169．01125．0～1127．0338．020630．81128．04．460．71127．0～1129．0121．420752．21130．01．910．81129．0～1131．223．820776．0

2.3 檢查腔體異常變化的處理效果

腔體出現異常時，經過特定溶腔工藝[1]進行處理后，必須要進行聲納測量，驗證溶腔異常情況的處理效果，制定下一步溶腔處理方法或者調整造腔工藝計劃。圖3中虛線為異常情況處理前測腔形狀，實線為異常情況處理后測腔形狀，可以看出在處理前溶腔在腔底部分形成一個易溶狹窄的外凸通道，這為以后腔體的注采儲氣造成了很大的安全問題，通過特定填埋工藝處理后，再進行聲納測量時發現外凸通道已經完全被封死，可以繼續開展下一步造腔工作。

圖2 XX井指定方位腔體縱剖面圖形

圖3 XX井前后兩次測量腔體縱剖面疊加圖

2.4 預測溶腔形狀發展變化趨勢

在鹽穴溶腔最初設計階段，設計者們往往希望能夠得到最理想化的溶腔形狀和造腔體積，但是實際建設過程井下情況具有很大的不確定性，通過定時分段多次進行聲納測量，取得不同造腔階段的體積形狀進行對比分析，如圖4所示，可以及時預測出腔體形狀及體積的發展變化趨勢，從而不斷調整并及時優化溶腔設計，最終獲得理想的溶腔形狀和體積。

圖4 XX井多次測量腔體縱剖面疊加圖

3 結束語

鹽穴儲氣庫建設不僅能夠保障天然氣長輸安全和用氣較高地區的平穩供氣，而且還能為國家提供充足的天然氣儲備，具有良好的經濟效益和重要的戰略意義。利用聲納測量技術對儲氣庫腔體形狀和體積進行及時有效的檢測，及時發現腔體形狀和體積的變化，成功保障了儲氣庫建設的順利和安全進行，具有極為廣闊的發展及應用前景。中國石油集團測井有限公司自2015年進入鹽穴儲氣庫聲納測量領域以來，已累計完成各類聲納測井任務70余井次，取得了良好的經濟效果。

[1] 李 鐵,張永強,劉廣文.地下儲氣庫的建設和發展[J].油氣儲運,2010,19(3):1-8.

[2] 王炳和,李宏昌.聲納技術的應用及其最新進展[J].物理,2001,30(8):491-495.

[3] 何愛國. 鹽穴儲氣庫建庫技術[J].天然氣工業,2004,24(9):122-125.

Application of Sonar Survey Technique in the Gas Storage during the Cavern Leaching

CHEN Jinhong， DAI Wei， WANG Jing

(HuabeiDivision,ChinaPetroleumLoggingCo.Ltd.,Renqiu,Hebei062552,China)

Many gas storages are built by the solution mining technique in salt caverns to achieve the natural gas peak-shaving in China recently. The Sonar Survey Technique plays an irreplaceable role in the process of the storage construction. This article mainly talks about the working principle and the structure of the sonar tool, and also introduces the applications of the sonar tool in determining the geometrical shape of the caverns, calculating the volume and distribution, discovering the changes of the caverns, adjusting the solution mining technique, checking the treatment effects of the solution mining technique on the changes in the caverns and predicting the development trends of the cavern leaching.

salt cavern; solution mining; gas storage; sonar survey technique

陳金宏，男，1967年生,高級工程師，2003年6月畢業于河北工業大學計算機科學與技術專業。一直從事測井采集及科研管理工作。E-mail: chen_jinhong@163.com

TE972

A

2096-0077(2017)01-0098-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.024

2016-07-24 編輯：屈憶欣)