鹽穴儲氣庫氮氣阻溶注氮量計算及現場試驗

康延鵬 王文權 胡建林 巴金紅 杜玉潔 李飛珂

1. 中國石油鹽穴儲氣庫技術研究中心；2. 華北石油管理局有限公司江蘇儲氣庫分公司；3. 中國石油華北油田分公司

鹽穴儲氣庫主要采用水溶造腔法建造，造腔過程中需注入阻溶劑來控制腔體形狀［1］。受限于造腔技術，國內鹽穴儲氣庫主要用柴油作為阻溶劑控制腔體形狀，安全和可控性較好，但造腔成本高，在造腔過程中常損失大量柴油，污染井周邊環境［2-4］，一旦泄漏至鹽化企業，會導致其停產。

采用氮氣作為阻溶劑可克服柴油阻溶劑的缺點，環境友好，成本較低，氣液界面監控相對容易，界面調節簡單，一定程度上也能加快建庫。歐美國家對鹽穴儲氣庫的研究較早，使用各種阻溶劑造腔技術較為成熟，德國Neuehuntorf NKⅢ鹽穴儲氣庫成功使用氮氣作為阻溶劑進行造腔［5-8］，加拿大也開展了氮氣阻溶造腔的相關研究。國內通過金壇鹽穴儲氣庫試驗井開展2 個階段氮氣阻溶造腔，邁出了中國鹽穴儲氣庫氮氣阻溶造腔技術的重要一步。

1 氮氣阻溶造腔工藝

1.1 管柱結構和井口

氮氣和柴油兩種阻溶造腔井造腔管柱均采用?244.5 mm 生產套管+?177.8 mm造腔外管+?114.3 mm 造腔內管的管柱組合。氮氣從生產套管和造腔外管的環空注到指定深度，造腔可實現正反循環。正循環：從造腔內管注淡水，從造腔外管與造腔內管的環空排鹵水；反循環：從造腔外管與造腔內管的環空注淡水，從造腔內管排鹵水［9-11］。

氮氣阻溶造腔井又有其特殊性，氮氣具有可壓縮性，且造腔時井下壓力高［12］，對井口及井下密封性要求高，為保證造腔時氮氣不泄漏，井口閥門應采用氣密性閘閥，并在注水端和排鹵端分別設置緊急切斷閥(ESD)等設備。其管柱結構和井口如圖1。

圖1 氮氣阻溶管柱結構與井口示意圖Fig. 1 Schematic string structure and wellhead for nitrogen dissolution inhibitor

1.2 氣液界面控制

氮氣阻溶造腔技術的關鍵在于對氣液界面的控制，控制不好會使氣液界面以上鹽層提前被溶蝕，并導致目標溶蝕層段未被充分溶蝕，影響最終腔體形狀，且腔體達不到設計體積。為防止氮氣阻溶造腔過程中氣液界面上移，并將其控制在設計范圍，需定期對氣液界面進行檢測。采用光纖界面儀和中子測井相結合的界面檢測技術，光纖界面儀日常檢測氣液界面位置，中子測井不定期校核光纖界面測試結果，確保界面檢測的準確性。當前氣液界面檢測精度可達0.5～1.0 m，滿足氮氣阻溶造腔要求。

1.3 注氮工藝

在氮氣阻溶造腔過程中，由于腔體擴大和氮氣在鹵水中的溶解，氮氣氣墊會不斷上移，若想穩定氣液界面，需在現場設置注氮設備隨時對氮氣進行補充。注氮工藝根據注氮設備不同分為液氮泵車注氮工藝和地面注氮撬注氮工藝［13］。

液氮泵車注氮工藝優點在于施工靈活，隨注隨走，工藝成熟，設備操作簡單，排量大，注氮快；缺點是為保證隨時往井下補氮，液氮泵車必須長期駐扎現場，占用人員及設備。地面注氮撬注氮工藝是在地面建設注氮撬，同時敷設注氮管線或建立液氮儲罐，優點在于可通過設定的壓力或者流量等參數實現注氮自動控制；缺點是費用較高，如敷設注氮管線還存在管線泄漏風險。選擇注氮工藝時應將滿足造腔工程需要放在首位，結合地面情況、造腔井數量、井距以及預算等綜合考慮。

2 氮氣注入量計算

在氮氣阻溶造腔過程中，氣液界面位置和氮氣注入量是最重要的2 個參數，氣液界面位置可通過光纖界面儀和中子測井確定，氮氣注入量則需根據腔頂直徑和氮氣層厚度計算得到。鹽穴儲氣庫單井造腔周期可分為多個造腔階段，各造腔階段之間調整管柱深度、墊層位置和進行聲納測腔，對于氮氣阻溶造腔井，調整管柱和聲納測腔前，需將井下氮氣完全排出，因此，氮氣注入量可分為造腔階段初注氮量和造腔階段中補充注氮量。

2.1 造腔階段初注氮量

將氮氣阻溶造腔過程中氮氣在井下的所占空間分為3 部分，如圖2。根據造腔設計的不同，造腔階段開始時氣液界面可分為位于裸眼中和腔頂中2 種情況，當氣液界面位于裸眼中時，氮氣存在于V1和V2中，造腔階段初氮氣在井下體積為

式中，Vc為氮氣在井下體積，m3；V1為生產套管與造腔外管環空體積，m3；V2為裸眼井壁與造腔外管間環空體積，m3；D1和H1為生產套管內徑和深度，m；D3為造腔外管外徑，m；D2為鉆頭直徑，m；k為井徑擴大率，無因次；H2為氮氣在裸眼段長度，m。

圖2 氮氣在井下占據空間示意圖Fig. 2 Schematic downhole space occupied by the nitrogen

當氣液界面位于腔頂中時，氮氣存在于V1、V2和V3中，造腔階段初氮氣在井下體積為

式中，V3為階段開始時腔頂氮氣墊層體積，m3；D4為階段開始時腔頂直徑，m；H3為腔體頂部鹽巖與鹵水之間的氮氣墊層厚度，m。

根據理想氣體狀態方程，假設氮氣不溶于水，將井下體積折算到地面，得造腔初井口注氮量計算式

式中，Qc為氮氣的井口注氣量，m3；T0為井口氣體絕對溫度，K；為井筒內氣體平均壓力，MPa；為井筒氣體平均偏差系數，無因次；為井筒內氣體平均絕對溫度，K；p0為標準大氣壓，0.101 MPa。

造腔階段初注氮時應適當增加氮氣注入量，用來補償氮氣在鹵水中的溶解，緩解開井注水時由于壓力波動、溫度變化造成的氣液界面上移。

2.2 造腔階段中補充注氮量

造腔階段結束時，氣液界面處于腔體頂部，氮氣存在于V1、V2和V3中，如圖2。通過造腔模擬軟件確定階段結束時的腔頂直徑，此時氮氣在井下體積為式中，V4為階段結束時腔頂氮氣墊層體積，m3；D5為造腔階段結束時腔頂直徑，m。

當造腔階段初氣液界面位于裸眼中時，造腔階段中補充氮氣體積(井下)為

當造腔階段初氣液界面位于腔頂中時，造腔階段中補充氮氣體積(井下)為

折算到地面，得造腔中期補充氮氣量計算式

某氮氣阻溶造腔井某階段氮氣注入量為階段初注氮量和階段中補充氮氣量之和，該井造腔所需總氮氣量為各造腔階段氮氣注入量之和。

3 現場試驗

3.1 試驗井井況

X 井處于造腔期，已形成一定腔體體積，腔體形狀規則，見圖3。試驗前腔頂直徑約10 m，累計采鹽14.1×104m3，聲納體積11.9×104m3，最大直徑78.9 m，其深度為1 042 m。為保證安全生產，暫時選擇該井后續2 個造腔階段進行氮氣阻溶造腔試驗，驗證氮氣注入量計算式。期間氣液界面穩定，腔頂鹽巖得到氮氣保護而不被溶蝕，腔體形狀按設計發展。

3.2 造腔模擬和注氮量計算

根據腔體氮氣阻溶前所測得的聲納數據和基于該聲納數據更新后的造腔設計，利用造腔模擬軟件WinUbro 進行造腔模擬，見圖4，并擬合不溶物含量和溶蝕速率，得到后續造腔階段腔體形狀、腔頂直徑變化等，計算后續2 個氮氣阻溶造腔試驗階段的注氮量。該井生產套管下深929 m，內徑0.221 m，造腔外管外徑0.114 mm，鉆頭直徑0.311 m，井徑擴大率10%，第1 階段氣液界面位于腔頂中，腔頂直徑約10 m，深度987 m，第2 階段氣液界面位置為972 m，井筒內氣體平均壓力取16 MPa，井筒內氣體平均絕對溫度303.15 K，井筒氣體平均偏差系數1.033，計算得到后續2 個造腔階段氮氣需求量，見表1。

圖3 X 井試驗前三維顯示圖Fig. 3 3D image of Well X before the test

圖4 造腔模擬結果Fig. 4 Simulation result of solution mining

表1 氮氣需求量理論計算Table 1 Theoretical calculation of nitrogen demand

3.3 試驗過程

試驗第1 階段采用液氮泵車注氮，第2 階段采用地面注氮撬注氮，注氮前連接泵車/注氮撬與井口并試壓，檢查流程后打開井口注氮閘閥，開啟注氮泵，向生產套管與造腔外管環空注氮，注入過程記錄井口壓力、溫度、注氮量等參數，并利用光纖界面儀檢測氣液界面位置。氣液界面達到設計位置后停止注氮，關閉注氮閘閥進行試壓，若試壓失敗，則需要找到泄漏點進行處理，直到試壓合格。試壓合格后開井進行氮氣阻溶造腔試驗，期間根據光纖界面儀和中子測井監測氣液界面情況，若氣液界面出現上移，則補充氮氣，使氣液界面一直保持在設計深度。

3.4 結果及分析

根據試驗前聲納數據，該井試驗前腔頂窗口已打開，腔頂直徑約10 m，第1 階段造腔120 d，排量為80 m3/h，階段初注氮4 410 m3，階段中補氮9 525 m3，階段總注氮13 935 m3。第2 階段造腔109 d，排量為80 m3/h，階段初注氮2 895 m3，階段中補氮1 000 m3，階段總注氮3 895 m3。造腔期間氣液界面穩定，腔頂鹽巖在氮氣的保護下未被溶蝕，試驗結束后經聲納測量，腔體體積增加約5×104m3，腔體形狀規則，和造腔軟件模擬結果基本一致，見圖5。腔體最大直徑小于80 m，滿足穩定性要求。

圖5 造腔設計與試驗結果對比Fig. 5 Comparison between solution mining design and test result

氮氣阻溶造腔試驗期間實際注氮量與理論計算值對比見表2。

表2 實際注氮量與理論計算值對比Table 2 Comparison between actual nitrogen injection andtheoretical calculation result

氮氣注入量理論計算值比實際值偏低。計算式未考慮氮氣在鹵水中的溶解，壓力、溫度取井筒平均值，未考慮在造腔過程中氮氣隨鹵水排出造成的損耗，光纖界面儀測量也存在誤差，不能準確測量氮氣墊層厚度。將計算式考慮10%～20%的氮氣損耗后，與實際注入量基本相符。另外，在現場注氮過程中，考慮經濟成本后，建議適當多注氮氣來保護腔頂。

4 結論

鹽穴儲氣庫氮氣阻溶造腔技術不會對鹵水和造腔井周圍環境造成污染，阻溶效果好，能滿足造腔建庫需要。針對造腔過程中氣液界面在裸眼和腔頂中兩種情況，給出了氮氣注入量計算式，并在金壇鹽穴儲氣庫X 井進行現場試驗。考慮10%～20%的氮氣損耗后，計算得到的注氮量與實際注入量相符。注氮時建議適當多注氮氣以保護腔頂。試驗過程中氣液界面穩定，腔體體積增加約5×104m3，腔體形狀規則，與設計基本一致。