鹽穴儲氣庫水溶造腔技術概述及優劣勢比較

劉浩林

（河北燃氣有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

自20 世紀50 年代，地下鹽穴儲能技術在北美和歐洲開始推廣應用，隨后美國、法國、德國、英國、俄羅斯等國家相繼建成鹽穴地下儲氣庫。截至2020 年，世界范圍內14 個國家已建成鹽巖地下能源儲備庫100 余座[1]，鹽穴儲能已成為各國能源戰略安全保障的重要手段。1999 年，我國開始了鹽穴能源儲備工程的選址與建造工作，雖起步較晚，但發展非常迅速。2007 年，我國首座鹽穴儲氣庫——石油金壇鹽穴儲氣庫投產運行，為長江三角洲地區的天然氣平穩供應作出了重要貢獻。

鹽穴儲氣庫經過半個多世紀的發展，從鹽穴的選址評價到鹽穴儲氣庫終止關閉，均有一套比較完整的評價體系和做法。當前，鹽穴儲氣庫關鍵建庫技術主要由地質條件評價、鉆井技術、水溶造腔技術、穩定性控制技術、鹽腔監測技術等組成[2-3]，其中水溶造腔技術對于成腔速度、造腔成本、腔體形態等均會產生重大的影響。因此，對目前常見的幾種水溶造腔技術進行對比分析，了解不同造腔技術的優劣性，為鹽穴儲氣庫工程建設提供靶向服務，助力我國天然氣供應安全與能源結構優化。

1 水溶造腔原理

水溶造腔就是通過向鹽層注入水，將鹽礦溶解為鹵水后形成腔體的過程。鹽穴造腔一般通過鉆井連通鹽層，在井孔中下入多層套管，并在目標鹽層段進行完鉆，最后通過套管內的同心管柱向孔底注入淡水，在目標鹽層段不斷循環溶解，直至形成設計腔體，如圖1 所示。

圖1 鹽穴儲氣庫正反循環造腔示意圖

為了控制鹽腔位置和形態，還要采用不同的循環方式，同時不斷調整同心管柱的位置。此外，為了阻止腔體無序上溶，擴大橫向溶蝕范圍，一般在同心管柱與套管之間的環形空隙中注入一定量的阻溶劑，在溶腔頂部形成保護層。

2 不同水溶造腔技術對比分析

目前常見的水溶造腔技術主要包括單井對流、單井油（氣）墊對流、水平對接井開采、小間距雙井單腔等。

2.1 單井對流法

單井對流法是通過垂直鉆井從地表進入地下目標鹽層，在井眼中分別下入生產套管、中心管，然后把淡水或低濃度鹵水通過造腔管柱注入腔體，并將溶解鹽巖形成的鹵水排至地表，如圖2 所示。按照注采循環方式的不同，單井對流法可以分為正循環和反循環兩種方式。淡水從中心管注入，溶解鹽巖，鹵水從中心管與生產套管之間的環隙返出，稱為正循環；反之，淡水從環隙注入，鹵水經中心管返出，稱為反循環。建槽期一般采用正循環操作，主要目的是擴大鹽層底部溶腔體積；后期生產期為產出高濃度鹵水，一般采用反循環。為保證腔體穩定性和防止中心管堵塞，有時采用正循環，但反循環占主導地位。

圖2 單井對流法腔體發展階段示意圖

單井對流水溶采礦法的優點是工藝流程簡單成熟、適用性強、生產成本低、見效快，目前許多鹽礦還應用此方法進行采鹵，但是在生產過程中也發現了許多缺點。其最大的缺點是無法有效控制上溶，頂板易過早大面積暴露，造成失穩后垮塌，引起套管、中心管變形彎曲、斷裂等事故，若頂板垮塌面積較大，還會引起地表沉陷等地質災害。此外，鹽層過度上溶也會造成腔體形態無法控制，導致腔體失穩。

2.2 單井油（氣）墊對流法

單井油（氣）墊對流法是在單井對流法的基礎上演變而來的，主要是采用油墊或氣墊的方式控制上溶。下入管柱組合在生產套管和中心管之間增加了中間管，通過生產套管向溶腔中注入阻溶劑，隔離鹵水與溶腔頂板，依靠中間管和中心管在腔體內實現注采循環，如圖3 所示。

圖3 單井油墊對流法腔體造腔示意圖

單井油（氣）墊對流法主要優點在于易于控制腔體形態、工藝成熟穩定，同時相應的單井聲納測腔技術較為成熟，可以為建庫穩定性評價工作提供相關數據。但是也存在一些缺點，例如造腔速度偏慢，以金壇鹽穴儲氣庫為例，建造20×104m3的腔體需要4～5 a時間，并且遇到夾層含量高、厚度薄的鹽系地層時，難以形成大體積的儲庫。

此外，根據阻溶劑的不同，該方法還可分為柴油阻溶造腔、氮氣阻溶造腔、天然氣阻溶回溶造腔等方法。柴油阻溶造腔應用最為普遍，安全可控性最高，但其使用成本相對較高，排放時易產生環境污染；氮氣阻溶造腔具有成本低、環境友好等特點，但其氣墊壓力高、易壓縮，控制要求較高[4]；天然氣阻溶回溶造腔則適用于畸形腔體的擴容和修復[5]。目前氮氣和天然氣作為阻溶劑在國外應用已相對成熟，但在國內尚處于實驗研究階段。

2.3 水平對接井開采

水平對接井開采技術是從地表分別鉆取兩口井抵達鹽系地層，兩口井距約在150～300 m 左右，一口井為直井，另一口井為斜井，在目標鹽巖層中利用水平井定向鉆井技術，實現兩井對接連通，形成一條水平的裸露孔道，之后在兩口井內分別下放生產套管，通過兩井交替注水來溶解鹽巖和排出鹵水，如圖4所示。

圖4 水平對接井腔體形態示意圖

在實際操作中，往往需要在直井底部首先以單井對流法溶解出一個直徑為10 m 左右的腔體（腔體直徑越大越好），這樣有利于定向鉆井過程中兩井的連通，更重要的是預留出早期的不溶物沉渣堆放空間，降低直井堵塞的風險。

對接井組生產工藝：（1）初期擴槽，井組一旦連通，應隨即進入擴槽階段，早期的擴槽操作，應當以盡可能大的流量從水平井中注水，原因是水平井下沒有溶腔，溶蝕面積相對小，有利于整個水平井段的全面溶蝕而形成通道；（2）生產期，適時交換注水出鹵方向，以利于水平通道的均衡擴展，也有利于注水井與出鹵井溶腔的對稱發展。由于鹵水濃度的影響，在近注水點溶蝕快，近出鹵點溶蝕慢，因此在采鹵生產過程中，應監控鹵水的濃度和流量，計算溶腔的容積，注意以適當頻率調換注水出鹵方向，使溶腔盡可能均衡發展。

自1991 年湖南湘衡鹽礦試驗鹽礦水平對接井開始建造，國內鹽礦水平對接井開采已有近30 年的歷史。此項技術在國內多個省份得到了廣泛應用，埋深從300 多米到4 000 多米、鹽層厚度從1.5 m 到200 m、NaCl 品位從低于40% 到超過90% 的鹽礦均普遍采用水平對接井技術進行開采。

水平對接井采鹵的主要優點有：（1）采鹵（造腔）效率高，由于淡水從進水口至出水口流動路徑長，溶鹽面積大，溶解更充分，鹵水濃度得到保證；也可以選用尺寸更大的管柱組合，進而實現更大的注水排量，山東泰安某鹽礦采用的排量達到250 m3/h，最高甚至可以達到300 m3/h，采鹵（造腔）速度明顯提高。（2）所造腔體更適用于我國層狀分布的鹽層，由于水平對接井的腔形為臥式，橫向尺寸大于縱向尺寸，更容易在有限高度的鹽層內發展出足夠大的體積，故其相對于傳統單井而言，可以更有效地利用鹽巖資源，提高儲存空間轉化率，更適合于我國薄層鹽巖賦存地層的特點。

此方法也存在一定缺點：（1）由于不使用油墊或氣墊阻溶，造腔過程中難以控制腔體形態發展，主要體現在直井和斜井附近腔體上溶較快，而水平通道的溶蝕效果較差，最終腔體形態呈U 字型。以安徽某鹽礦為例，注水流量為20～40 m3/h，直井和斜井附近溶腔年平均上溶速度達到了20～30 m/a，由于鹽巖層較薄，在3～4 a 內鹵水即接觸到泥巖頂板，甚至造成了頂板不同程度的垮塌。（2）直井和斜井的溶腔下部鹵水濃度較高，這些高濃度鹵水被擠入水平通道后，溶蝕作用較弱，水平通道附近的鹽巖不會被充分溶蝕，尤其當兩口井井距設置過大時，會導致很大部分鹽巖不能回收利用，從而造成資源浪費。（3）聲納測腔技術在獲取水平井腔體形態時存在一定困難，水平井腔體作為儲氣庫的評價指標也不夠完善。

2.4 小間距雙井單腔造腔技術

小間距雙井單腔[6-7]是在較近的距離內向目標鹽層鉆取兩口井，井距在6～30 m 的范圍內，兩井連通后，其中一口井注入淡水，另一口井排出鹵水進行溶腔，如圖5 所示。這種采鹵方法也有正循環和反循環兩種方式，底部出水、上部排鹵注采方式為正循環，上部出水、底部排鹵為反循環。

圖5 小間距雙井單腔造腔示意圖

該溶腔技術在美國墨西哥灣鹽穴戰略儲油庫、法國MANOSQUE 地區以及湖北云應地區已有應用。法國MANOSQUE 地區的鹽層厚度達到800 m，該技術所建造的腔體呈圓柱形，具有較大的高度，腔體的容積也達到了50×104m3，如圖6 所示。湖北云應地區的某鹽礦也進行了小間距雙井的先導性造腔試驗，并進行了聲納測腔，測腔結果如圖7 所示。試驗雙井的井口距為11.1 m，井底距為11.5 m，并且采用了油墊阻溶，溶腔試驗持續了1 年左右，測腔結果顯示兩井溶通結果良好，所測體積為1×104m3左右。根據生產數據計算小井距雙井造腔形成的日有效體積為70.47 m3，為同地區相同造腔階段單井造腔形成的日有效體積（41.76 m3）的1.7 倍，說明雙井造腔可明顯加快造腔速度。

圖6 法國某鹽礦雙井小間距腔體形態

圖7 云應某鹽礦雙井小間距聲納測腔結果

小間距雙井單腔技術的主要優勢有：（1）鹽穴儲氣庫雙直井造腔能耗小，能夠允許較大的注水排量（最高達300 m3/h），造腔速度明顯提高。通過數值模擬計算，以國內金壇儲氣庫（深度1 000 m）建庫為例，建造體積相同的20×104m3腔體，與單井對流法造腔技術相比，造腔時間縮短近50%[8]。（2）雙井結構造腔可形成更大容積的腔體，增大儲存體積，且對于鹽礦地層的利用效率更高。（3）大直徑管內壓力較小，由此引起的水擊及振動現象大幅減小，有利于提高管柱壽命。（4）在儲氣庫中使用雙井結構將大大提高注氣采氣速率，提高工作效率，有助于地下儲氣庫迅速采集油氣。此技術推廣應用存在一定難點，例如造腔工藝不成熟，尤其是兩井距確定、最優流量確定、腔體形態控制（涉及油墊、兩管柱位置的組合調整）、后期注采氣速率確定等方面還需進一步探索研究。

3 結語

單井對流法是20 世紀鹽礦開采使用的技術，由于上部沒有氣墊和油墊，腔頂上溶難以控制，因此目前鹽穴儲氣庫建設基本很少應用。

水平對接井開采技術（150～300 m）是我國現階段鹽礦開采普遍采用的一種技術，但由于難以控制和監測腔體形態、在深層鹽礦溶腔過程中容易產生水平腔體堵塞，因此在鹽穴儲氣庫建設中建議慎重使用。

單井油（氣）墊對流法是現階段世界鹽穴儲氣庫造腔普遍使用的辦法，也是我國金壇儲氣庫、潛江儲氣庫造腔使用的方法，不存在蠕變對水平段的影響，因此可以普遍適用于鹽穴儲氣庫造腔。

小間距雙井單腔造腔技術（6～30 m）是國外鹽穴儲油庫普遍使用的造腔技術，造腔效率高，但是在國內尚未有工程實例，對于腔頂的形態控制、雙井間距、注水排鹵方式等尚需進一步科技攻關。