盐穴地下储气库密封性的测试与评价

耿尧辰

（中国天辰工程有限公司工艺系统部，天津 300400）

盐穴地下储气库（简称“盐穴储气库”）是在较厚的盐层或盐丘中通过水溶形成的用于储存天然气的人工洞穴[1]。盐穴储气库的密封性（即机械完整性）直接关系到储气库的储存能力及运行安全[2-4]，在储气库的建造期乃至运行期应对其密封性进行测试与评价，以确保储气库可以长久安全运行。

1 测试区域

整体盐穴储气库系统的密封性主要由注采气井密封性和腔体（包括腔颈）密封性两部分组成。一般来说，大多数的密封性测试仍仅对注采气井的机械完整性进行评价，其原因主要归纳为以下两个方面。

1）从工程角度来讲，盐岩的渗透率非常低，因此几乎可以认为盐岩是不可渗透的。相比于腔体（包括腔颈），天然气从注采气井处泄漏的可能性则大得多。

2）腔体的体积一般大于100000 m3，如果将腔体及注采气井作为整体进行测试，测量误差大。如果仅对体积较小的注采气井进行测试，则测试的灵敏度及准确性高。

基于上述原因，一般只进行注采气井的密封性评价，而对注采气井密封性的评价主要是为了测试最后固井套管鞋处的机械完整性。

2 测试压力

一般来说，最后固井套管鞋处的测试压力不应大于腔体的最大许用操作压力，而最大许用操作压力应由盐穴的埋深及其所处区域地层的岩石力学性质来确定。

3 测试流体

测试流体一般选用气体（氮气）或液体（燃料油）作为测试流体，由于氮气的黏度远远低于液体，使用氮气可以检测到非常微小的泄漏，因此最常选用氮气作为测试流体。

4 测试方法

按照测试标准的不同，主要分为定性测试法和定量测试法两种方法。

随着我国科技和经济的不断发展，矿山生产的日处理能力大幅度提升，机械设备大型化、自动化，厂房规模越来越大，矿山建设水平要求越来越高，所以矿山工业厂房的建筑设计思路中应推陈出新，把新的理念加入到矿山建筑的设计中来，把矿山建筑打造成在满足工艺生产要求时，又富含人性化的节能环保绿色建筑。

4.1 定性测试法

API RP 1114 水溶洞穴地下储库设施的设计推荐作法中介绍了一种氮气-卤水测试（Nitrogen and Brine Test，NBT）法[5]，其为典型的定性测试法，该测试方法以腔体压力及气水界面的变化来判断系统密封性是否合格。然而除了泄漏之外盐岩蠕变、卤水热膨胀以及卤水渗透等因素也可导致腔体压力及气水界面的变化[6]。测试时上述因素综合在一起将对测试结果产生复杂的影响，对系统密封性的评价造成干扰，降低了测试的准确性。

4.2 定量测试法

定量测试法通过电测工具等仪器获得测试期间井内温度，压力及气水界面位置等参数，根据上述参数计算出不同时间点的井内氮气总质量，进而利用质量平衡原理计算出氮气的表观泄漏速率，以精确评估整体盐穴储气库系统的密封性。

4.2.1 计算

4.2.1.1 腔体预充压的相关计算

在注入氮气前应先注入饱和卤水预充压腔体，使最后固井套管鞋处的压力接近腔体的最大许用操作压力。在实际泵入卤水的过程中，应通过监控井头处的卤水压力来控制最后固井套管鞋处的压力。

1）井头卤水压力的计算

式中：Pwh,B为预充压时井头处应达到的卤水压力，MPa；Pmax为腔体最大许用操作压力，MPa；Δp 为注氮导致的腔体压力增量，MPa；ρbrine为饱和卤水密度，kg/m3；g 为重力加速度，m/s2；d 为预计的气水界面深度，m。

式中：Vtest为（氮气）测试空间的几何体积，m3；Vcavern为腔体净体积，m3；K为腔体压缩因子，MPa-1。

式中：Vbrine为泵入的饱和卤水量，m3；ΔP 为腔体压力变化量，MPa。

4.2.1.2 井头氮气最大测试压力的计算

当腔体预充压结束且井头的卤水压力稳定后，可以开始注入氮气。与腔体预充压一样，应通过监控井头处的氮气压力来保证最后固井套管鞋处的压力不超过腔体的最大许用操作压力。

式中：Pwh,N为井头氮气最大测试压力，MPa；dLCCS为最后固井套管鞋深度，m；R为氮气气体常数，J/(kg·K)；Z 为氮气压缩因子，无量纲；T 为氮气平均温度，K。

4.2.1.3 测试空间内氮气质量的计算

氮气作为可压缩流体，即使在恒温条件下也会由于气体静压力的影响而在垂直方向上存在着密度梯度，由于测试空间的垂直跨度达上千米，因此该密度梯度不可忽略。同时，测试空间内的氮气也会由于地层传热而在垂直方向上存在温度梯度。

综合上述两点考虑，为了保证测试空间内氮气总质量计算的准确性，应将测试空间沿垂直方向划分为若干区间，按照方程（4-5）来分别计算各个区间内的氮气质量，再加和求得整个测试空间内的总氮气质量。

式中：m 为氮气质量，kg；p 为氮气平均压力，MPa；V 为区间的几何体积，m3。

4.2.1.4 表观泄漏速率的计算

通过公式4-5 计算出不同时刻井内氮气的总质量，并根据质量守恒原理求得任意时间内的质量泄漏速率，再将此质量泄漏速率按照原位条件（最后固井套管鞋处的温度及压力条件）转化为体积泄漏速率，即为表观泄漏速率。

式中：L 为表观泄漏速率，L/d；m1为井内氮气的初始总质量，kg；m2为t 时刻井内氮气的总质量，kg；Z 为温度T 及压力p 下的氮气压缩因子；T 为氮气初始温度及t 时刻温度的算术平均值，K；p 为氮气初始压力及t 时刻压力的算术平均值，MPa；t为测试时间，d。

4.2.2 测试标准

由于在测量不同参数（温度，压力及气水界面位置）时不可避免的会产生误差，因此通常无法证明系统100%不泄漏，即绝对密封（absolute tight）。一般来说，只要系统的表观泄漏速率在测试评价标准范围之内，即最大容许泄漏速率（Maximum Admissible Leak Rate，MALR）之内，则可以认为系统的密封性合格，达到了技术密封（technically tight）水平。

KBB/UGS，DBI 以及ESK 等德国公司一般选用150 L/d 作为测试标准，而其他公司，如法国的Geostock 公司等则一般选用150 kg/d 作为测试标准。

此外，系统内保持常压的部分（固井水泥环空及缓蚀剂环空等）在测试中不应出现压力增长，灌满水的方井中不应出现气泡。必须同时满足上述标准才能认定系统的密封性合格。

5 结论

盐穴储气库的密封性直接关系到储气库的安全运行以及投资效益，应在建造过程中对其进行测试与评价。密封性的测试方法主要分为定性法和定量法，由于定量法的准确度高且测量结果不受腔体蠕变等因素影响，因此通常选用定量法来测试并评价储气库系统的机械完整性。