高效利用复杂连通老腔新方法与效果分析

垢艳侠 完颜琪琪 丁国生 郑雅丽 邱小松 李东旭 李康 冉莉娜

摘   要：盐矿采盐过程中形成的老腔资源丰富，将符合改建储气库条件的老腔改建成储气库，既可加快我国储气库建设进度，还可以降低盐穴储气库造腔成本。单井单腔老腔改建储气库技术成熟、效果良好，但对井老腔改建储气库的研究几乎处于空白。通过对复杂连通对井老腔地质条件的研究，利用物质平衡法，结合钻井井眼轨迹、声呐检测结果构建了对井复杂连通老腔的形态模型，预测了拟改造老腔的腔体形态和体积;本着充分利用盐腔空间，提高空间动用率等原则，提出在原注水井和采卤井之间新钻一口钻至水平通道的排卤井，实现将盐腔残渣中卤水尽可能排出来增加储气库空间的目标;上述方案通过现场实施，不仅验证了对井老腔形态预测模型的可靠性，也为复杂连通对井老腔腔体的高效利用提供一种有效方法。

关键词：连通老腔  高效利用  新方法  效果  盐穴储气库

中图分类号：TE82                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）10（b）-0089-06

Abstract： The old cavities formed in salt mining process are rich in resources， and the old cavities which meet the conditions of reconstruction， can be transformed into gas storage， which can not only accelerate the construction schedule of China's gas storage， but also reduce the building cavity cost of salt cavern gas storage. The technology of rebuilding gas storage with single well and single cavity is mature and effective， but the research on rebuilding gas storage with double well and old cavity is almost blank. Based on the study of the geological conditions of the complex connected old cavities， the model of the complex connected old cavities of the Wells is constructed by using the material balance method and combining the drilling well trajectory and sonar detection results， and the shape and volume of cavities to be reconstructed are predicted. Based on the principle of making full use of salt cavity space and improving space utilization rate， a new halogen discharge well drilled into a horizontal channel between the original injection well and the brine production well is proposed to realize the goal of  removing brine from the residual salt cavity and increasing the space of gas storage as much as possible;Through field implementation of the above recommended scheme， the halogen discharge well has successfully drilled into the horizontal channel， which not only verifies the reliability of the prediction model of well salt cavity morphology， but also provides an effective method for the efficient use of complex connected old well cavities.

Key Words： Connected old cavity; Efficient use; New method; Effect; Salt cavern gas storage

中國盐穴储气库建库地质条件相对复杂，与国外盐丘型储气库建库条件相比，具有盐层薄、夹层多、盐岩品位低等特点[1-4]，受建库地质条件及卤水接收能力的限制，我国盐穴储气库建设速度较慢。我国已建和拟建储气库的盐矿周围的盐化企业在采盐过程中形成了大量的盐腔，据不完全统计，在我国已建或拟建盐穴储气库的金坛、云应、淮安、平顶山盐矿有300多个盐腔[5]。若能将盐化企业符合改建储气库条件的老腔改建成储气库，将有效增加我国储气库的储气规模，不仅会加快我国储气库建设进度，还可以降低盐穴储气库工程建设成本。

中石油、中石化及盐化企业已在金坛盐矿利用采卤老腔成功改建10个单井老腔用于储气，已形成单井单腔老腔筛选、评价、改造利用等配套技术手段。而对于大量的对井老腔改建储气库的研究几乎处于空白。通过大量的研究工作，构建了对井老腔的模型，提出了高效利用对井老腔的新方法。通过钻井实施，成功钻至水平通道，不仅证实预测模型的可靠性，也为高效利用复杂连通对井老腔奠定了基础。

1  拟改造老腔形态模型构建及预测

拟改造的老腔为一对井采盐老腔，注采井1和注采井2井口相距约330m。拟改造老腔所处盐矿由于含盐地层夹层多、水不溶物含量高、生产造腔过程无油垫控制，导致盐腔形态复杂，加之注采井1和注采井2井口距大，声呐检测设备无法完全探测该对井老腔形态及体积，需在老腔声呐检测基础上，利用物质平衡法，结合生产数据和井轨迹对注采井1-注采井2 老腔形态进行预测。

1.1 盐腔总体积估算

拟改造的老腔有完整的注采造腔生产记录，根据注水量、采卤量、卤水浓度、NaCl含量可估算采出盐的体积及动用的含盐地层的体积。

拟改造的老腔已注水737.5万m3，采卤678.1万m3，按照采卤浓度300g/L，盐密度2160kg/m3，折算采盐体积为94.2万m3;按采卤地层平均NaCl含量为55%，估算动用含盐地层地下空间体积171.2万m3。

1.2 盐腔形态模型构建及预测

目前检测盐腔的设备主要是声呐仪器，声呐仪器检测盐腔直径范围150m左右，主要应用于单井单腔检测。我国建库地质条件复杂，夹层多，水不溶物含量高，盐腔被大量残渣占据，盐矿对井开采形成大量老腔，但开采对井井距在300m左右，声呐仪器无法检测到对井老腔中水平通道，进而对对井老腔的形态未知。笔者假设了3种盐腔形态模型，以水平通道的高低将盐腔划分为高通道盐腔（图1-a）、中通道盐腔（图1-b）、低通道盐腔（图1-c）等3种盐腔形态。

根据拟改造老腔的高度和动用的含盐地层的体积分析，若拟改造盐腔的水平通道为高通道和中通道，估算的盐腔总体积将远远超过物质平衡法估算的动用含盐地层地下空间体积（171.2万m3），因此拟改造盐腔为高通道和中通道盐腔的可能性极小。

为了准确构建拟改造盐腔的形态模型，以注采井1-注采井2含盐地层地质条件为基础，利用物质平衡法，结合钻井井眼轨迹、声呐检测结果，构建和预测对井盐腔形态。首先以声呐检测技术落实了对井部分腔体形态，再通过采盐量、造腔体积、堆积系数等参数的物质平衡计算，建立了新的“低通道”模型。初步预测拟改造老腔呈U型形态，注采井1为水平井，造斜点以上呈近似圆柱体，造斜点以下至水平段起点呈近似圆锥体，两井水平通道呈近圆柱体;注采井2为直井，盐腔形态近似圆柱体（图2）。

预测盐腔形态由A、B、C、D四部分组成（图2），A为注采井1造斜点以上至腔顶底近圆柱体（1370-1305.7m），B为注采井1造斜点至水平段起点近圆锥体（1370-1490m），C为水平连通通道近圆柱体，D为注采井2直井盐腔近圆柱体（1322-1480m）。

（黑色部分是声呐检测形态，红线是井眼轨迹，阴影部分是不溶物残渣）

盐腔各部分形态体积计算公式如下：

A=πR12h1

B=πR22h2/3

D=πR32h3

C=πR42h4

其中R1、R3、R4为分别为A、D、C部分的半径、R2为B部分的最大半径;h1、h2、h3为A、B、D的高度，h4为C部分长度。

根据有关参数计算出A、B、D部分总体积146.5万m3（如表1）。

由于水平通道的高度（即C部分的直径）无法直接获得，故水平连通通道C体积的计算采用间接法求取。

水平连通通道C体积=盐腔总体积-声呐测腔体积-（A+B+D）体积。

盐腔总体积采用物质平衡法估算的结果（171.2万m3），声呐测腔体积取注采井1、注采井2实测值17.1万m3，故C通道的体积为7.6万m3。根据连通通道体积及井距，计算可得出水平段平均高度约为19.8m。

注采井1中的3盐群底部发育一套5.7m厚夹层（1453.8-1459.5m），注采井2中的4盐群底部发育一套5.58m厚夹层（1445.22-1450.8m）。因注采井1-注采井2造腔過程中水平段卤水已接近饱和，盐岩上溶速度较慢，夹层难以垮塌，估算水平连通通道高度最大约30m。

2  老腔利用方案

2.1 改造利用方案

本着尽可能提高盐腔空间动用率，将盐腔中及水平连通通道堆积的残渣中卤水排出以扩大盐腔有效储气空间的原则，提出在注采井1-注采井2之间新钻一口排卤井，排卤井钻至水平连通通道内（见图3），排卤管柱下入水平连通通道内;注采井1-注采井2经工程验证其密封合格后用于注采气。通过向注采井1、注采井2注气，使盐腔压力逐渐提高，盐腔及堆积残渣中的卤水通过新钻排卤井逐渐排出，最终将位于排卤管排卤口以上的卤水有效排出。

2.2 效果预测

（1）残渣空隙空间可行性分析。

我国盐穴储气库大多建设在可溶盐层与不溶夹层间互发育组成的层状盐岩中，含有较多难溶杂质，水溶造腔过程中不溶物垮塌、膨胀堆积在盐腔底部，形成了残渣，占据部分空间，损失了部分储气空间。

残渣形成过程是造腔段中所含的不溶物在造腔的过程溶解剥落，呈颗粒或块状沉降至腔底，然后浸泡在水中，同时随着残渣高度的增加，底部的残渣会受到其上覆残渣堆积的重量压实作用。基于这种过程开展系列实验来分析底部残渣空隙空间是否有利用。

实验过程：首先选择不同岩性的夹层样品，进行描述后粉碎，得到夹层干样的碎胀系数;对粉碎的样品进行组分分析得到样品的不溶物含量;通过浸水试验得到残渣遇水的初始膨胀系数，经沉降后得到残渣的堆积系数;通过充分压实试验得到残渣的含水率;通过模拟腔底堆积物的压力情况分析残渣在造腔工况下的堆积体积;通过气驱水试验测量注气后排出数量，分析气体占据残渣的空间

通过一系列的组分实验、侵水实验、压实气驱实验和渗透率测试实验，开展残渣空隙空间可行性分析，实验数据表明残渣未经自重压实作用时，残渣堆积体空隙率达到42.8%～51.9%，平均空隙率48.3%;经过上覆残渣自重压力压实（120m高度约1MPa）后空隙率降低22.7%～38.2%（见图4），平均降低30.5%，剩余空隙率为17.8%;渗透率测试结果表明气相渗透率约为0.041～3.729Md，具备一定的渗流能力。因此，鹽腔底部残渣具备一定空隙空间，且该空隙空间中的卤水可以通过注气排卤的方法排出，从而提高盐腔储气空间。

（2）预测效果分析。

为排出盐腔内更多卤水，尽可能将排卤管柱下至盐腔水平连通通道的低部位。由于水平通道具体形态及水不溶物残渣堆积高度难以预测，因此，新钻排卤井在钻入水平通道后，在可能的情况下探测水平通道的底部深度。

通过对注采井1、注采井2注气，使盐腔压力逐渐提高，盐腔中的卤水通过新钻排卤井逐渐排出，最终将位于排卤管排卤口以上卤水有效排出（即排出盐腔实测有效空间及A、E、F部分残渣占据空间中卤水，见图5）。

根据盐化企业生产数据及盐腔形态预测，估算造腔动用地下盐岩地层总体积为171.2万m3，采出盐体积为94.2 万m3，不溶物原始体积77万m3。根据预测腔体形态A、E、F体积估算结果（见表2），利用钻达水平通道的排卤井排卤，可排出占据A、E、F空间的134万m3残渣中卤水。

根据实验数据拟合的压实曲线y=6.5523ln（x）+ 33.264，残渣高度约160～180m时，其对应的自重压力约为1.4MPa，减小空隙率为35.7%，未压实前空隙率按照48.3%估算，剩余空隙率约为12.6%。注采井1-注采井2的老腔剩余空隙体积约为16.8万方。气驱实验驱替体积比例为总体积的1.9%，合计增加2.5万方有效储气空间，增加储气体积比例14.6%。由于气驱实验为实验装置底部见气泡后停止实验，较实际能驱替值小，假设注气排卤井能排出残渣空隙中50%的卤水，将增加8.4万方有效储气空间，增加储气体积比例49.1%（见表3）。

3  应用前景

根据老腔改造利用方案，在拟改造老腔开展了先导性试验排卤井的钻探。实钻结果显示，位于注采井1和注采井2之间的排卤井钻至1477m进入水平通道，于1486m探到水平通道底部，排卤井实钻水平通道高度9m。初步分析认为，实钻的水平通道的高度与形态与预测的水平通道高度与形态误差不大，该腔体属于低水平通道。该排卤井的钻探成功不仅验证了对井盐腔形态预测模型的可靠性，也为复杂连通对井老腔腔体的高效利用提供一种有效方法。

若该改造利用方案应用于我国已建或拟建盐穴储气库的金坛、云应、淮安、平顶山等盐矿，将盐化企业符合改建储气库条件的老腔改建成储气库，将有效增加我国储气库的储气规模，不仅会加快我国储气库建设进度，还可以降低盐穴储气库工程建设成本。

4  结论与认识

（1）我国地下复杂连通老腔资源丰富，科学合理地利用老腔进行储气，对我国储气库发展意义重大。

（2）以含盐地层地质条件为基础，利用物质平衡法，结合钻井井眼轨迹、声呐检测结果，可构建和预测对井盐腔形态。

（3）在对井之间钻探一口排卤井可大幅度排出盐腔内残渣空隙内卤水，提高盐腔空间利用率。

（4）复杂连通老腔改造先导性试验验证了复杂连通对井老腔为低水平通道的盐腔模型的可靠性。

（5）复杂连通老腔改造新技术的利用和推广，有利于大幅度加快盐穴储气库建设进度，提高储气调峰能力。

参考文献

[1] 垢艳侠，完颜祺琪，罗天宝，等.层状盐岩建库技术难点与对策[J].盐科学与化工，2017，46（11）：1-5.

[2] 徐孜俊，班凡生.多夹层盐穴储气库造腔技术问题及对策[J].现代盐化工，2015，2：10-14.

[3] 周骏驰，黄孟云，班凡生等.盐穴储气库双井造腔技术现状及难点分析[J].重庆科技学院学报：自然科学版， 2016，18（1）：63-67.

[4] 黄孟云，班凡生.盐穴大井眼造腔工艺技术研究[J].中国井盐矿，2016，47（2）：16-18.

[5] 杨海军，闫凤林.复杂老腔改建储气（油）库可行性分析[J].石油化工应用，2015，34（11）：59-65.