鹽穴儲氣庫建槽階段工況變化對氣水界面的影響

肖恩山，杜玉潔

（中國石油天然氣股份有限公司鹽穴儲氣庫技術研究中心，江蘇鎮江 212100）

鹽穴儲氣庫是地下儲氣庫的重要形式，與枯竭氣藏儲氣庫相比，鹽穴儲氣庫建設周期較長，主要原因是建造鹽穴腔體（造腔）的時間較長，造腔時間占到鹽穴儲氣庫建設周期95 %以上[1-3]。鹽穴儲氣庫造腔分為建槽、腔體擴展、封頂三個階段（見圖1）。建槽是在礦層底部形成一個倒錐體的溶腔,為對流生產提供最佳溶解面。

在造腔過程中，為了防止鹽層過快上溶，需向井下注入阻溶劑。目前國內鹽穴儲氣庫主要以柴油作為阻溶劑。在國外的鹽穴儲氣庫建設過程中，利用氮氣作為阻溶劑已經有了較長時間的歷史。與采用柴油作阻溶劑相比，采用氮氣具有更環保、成本更低的優點，因此，采用氮氣作為阻溶劑建造鹽穴已經成為一個必然的選擇[4-6]。

董建輝等進行了鹽穴腔體擴展階段以氮氣作為阻溶劑造腔方法研究[7]，建立了在腔體擴展階段以氮氣作為保護層材料時氣液界面深度的計算模型（見圖2（a））。該模型中井下氮氣體積由三部分組成：生產套管與中間管之間的環空體積V1，裸眼與中間管之間的環空體積V2，腔體內鹵水與鹽巖之間氣態保護層的體積V3，在只考慮壓力波動的情況下給出了腔體內氣水界面穩定時的井口注氣量計算方法。國內鹽穴儲氣庫也于近年開展了氮氣作為阻溶劑造腔（腔體擴展階段）的現場試驗，取得了在造腔腔體擴展階段以氮氣作為阻溶劑的數據。

而在建槽階段如以氮氣作為阻溶劑，對我國目前的鹽穴儲氣庫是否適用，還沒有人進行過相關研究。我國鹽穴儲氣庫均為層狀鹽層、鹽層厚度不大，如在建槽階段不能有效控制氣水界面，氣水界面上升過快，會導致下部鹽層造腔體積的損失，從而影響整個腔體不能達到設計體積[8-10]。所以在建槽階段控制好氣水界面，從而使腔體底坑盡可能達到較大體積是十分重要的。

由于建槽開始階段井下尚沒有形成較大的腔體體積，井下氮氣體積只由兩部分組成[11-13]：生產套管與中間管之間的環空體積V1，裸眼與中間管之間的環空體積V2（見圖2（b））。因此，從地面注水開始造腔后，井下工況的變化與腔體擴展階段是不一樣的，計算氣水界面的變化應考慮以下幾個方面的因素：

（1）氮氣的壓縮性遠大于柴油，且受壓力、溫度的影響較明顯；

（2）井筒內很快就會出現壓力上升的情況；

（3）井筒內很快就會出現溫度下降的情況；

（4）后續的造腔過程會出現注水壓力的波動。

井筒壓力、溫度的變化會引起氮氣體積的變化，氮氣體積收縮，則氣水界面會上移；氮氣體積膨脹，氮氣就會混入鹵水中進入地面管線及鹵水罐，如氮氣量較大，會帶來一定的生產安全風險[14，15]。

因此，研究采用氮氣作阻溶劑時建槽階段氣水界面的變化規律是很有必要的。

1 計算方法

1.1 井下阻溶劑空間體積計算

該體積由兩部分組成：

圖1 造腔建槽、腔體擴展、封頂三個階段

圖2 氮氣作為阻溶劑造腔示意圖

井口至生產套管鞋井段，生產套管與造腔外管環空之間體積V1；生產套管鞋至造腔外管管鞋井段之間，裸眼段與造腔外管環空之間體積V2。

式中：D1-生產套管內徑，m；D2-裸眼井段平均直徑，m；D3-造腔外管外徑，m；H1-生產套管深度，m；H2-裸眼段長度，m；V1-生產套管與造腔外管之間的環空體積，m3；V2-裸眼與造腔外管之間的環空體積，m3。

1.2 不同工況時井下氮氣在標況下所占體積

根據理想氣體狀態方程，建立井口（標況）和井筒內氣體狀態方程：

首先，準確采集開井前和開井后井下壓力和溫度。

然后，分別計算開井前和開井后兩種工況下，井下空間內氮氣在標況下的體積，兩者的差值即為需補注的氮氣體積（標況）[16，17]。

2 計算實例

金壇某井主要參數：井號J*-*（見表1，表2），直井井深：1 050 m，井口溫度（地面以下2 米左右）：20 ℃，井底溫度：54 ℃，氮氣作阻溶劑，注入氮氣后關井。

表1 J*-*井身結構及造腔管柱數據

表2 J*-*關井及開井注水造腔時壓力參數

根據公式（1）、（3），首先計算關井工況，關井時Φ244.5 mm+Φ177.8 mm 環空平均壓力為10.7 MPa，井筒平均溫度為37 ℃，氮氣壓縮因子1.013 4，經計算，關井工況時井下氮氣在標況下所占體積為1 937.3 m3。

再計算開井工況，開井時Φ244.5 mm+Φ177.8 mm環空平均壓力為12.4 MPa，井筒平均溫度為20 ℃，氮氣壓縮因子1.008 7，經計算，開井工況時井下氮氣在標況下所占體積為2 386.3 m3。

兩者的差值為450 m3，即為需補注的氮氣體積（標況）。如不及時補注，氣水界面將上升[18，19]，經計算，上升高度為55.2 m。

3 結論與建議

（1）在建槽階段以氮氣作為阻溶劑，對我國目前的鹽穴儲氣庫建設是可行的；

（2）建槽階段井下尚沒有形成較大的腔體體積，井下水體體積較小，從地面注水后，井筒溫度下降較大；

（3）建槽階段井下尚沒有形成較大的腔體體積，與造腔后期相比，井下不能形成阻溶劑墊層，一旦井下溫度、壓力發生變化，氣水界面就會隨之發生波動；

（4）建槽階段如以氮氣作阻溶劑，開井后應避免工況劇烈變化；

（5）建槽階段如以氮氣作阻溶劑，開井造腔前應進行工況參數預測，以計算氮氣補注量，實際補注的量暫建議為計算結果的1.5 倍，積累經驗后再適當調整；

（6）補注氮氣的時機：開井時應同時補注氮氣；

（7）正常造腔過程中，如需增加排量，則壓力上升，氣水界面上移，因此也應同時補注氮氣；反之，則壓力下降，氣水界面下移，可能會有氮氣隨鹵水逸出。