一种地下盐穴储气库溶腔体积的优化计算方法

于鹏亮

（北京普瑞浩特能源科技有限公司，北京 100012）

容积是建造储气库的重要指标，直接决定储气库的库容和调节功能。对于盐穴地下储气库，溶腔过程中必须有效跟踪储气库的体积变化，以便确定相应的腔体形状、测试时机和停井时间，及时调整后期溶腔方案，最终高效、稳定地完成目标库容盐穴地下储气库的建造。现有的物质平衡法在折算地下溶蚀盐岩体积时，由于已经滤取的腔体为卤水所占据，且卤水中通常也有大量其他可溶盐类或离子的存在，故此仅依靠返出卤水中的NaCl 成分来折算溶腔体积的做法是不可取的。

1 模型框架

盐穴储气库井的返卤密度直接反映了腔内卤水密度的变化。典型返卤密度变化趋势（见图1），大体可分为驱替期、上升期和稳定期。开井初期返卤密度较高甚至接近饱和，开始注水后，清水开始驱替并稀释腔内卤水，返卤密度先高后低；随着溶蚀时间的增加，腔体逐步增大，返卤浓度开始缓慢提高；当返卤密度到达某一数值后开始趋稳，最终不再增加。这一现象表明注入水并未全部参与溶蚀过程。其中滞留水将留在腔体参与溶解进程。而产出水则与井腔内的卤水相混合，最终排出腔体。注入水等于滞留水和产出水之和。

据此，可以架构如下的物质平衡关系模型框架：岩盐的溶解质量包含滞留水的溶解质量和产出水携带的溶解质量两部分。假设岩盐在溶解前后溶液体积不发生变化，则溶腔体积Vt等于注采体积差V1与注采质量差折算的腔内卤水体积V2之和。

同时，溶腔体积Vt亦由盐腔的净体积V、不溶物堆积并膨胀后所占据的体积Vi两部分构成（见图2）。

图1 某盐穴储气库井返卤密度的典型变化曲线Fig.1 The typical changing curve of brine density about a salt-cavern underground storage well

图2 优化后的物质平衡关系模型框架Fig.2 The optimization mass-balance relationship model framework

2 计算方法

2.1 总体积

通常情况下，注水量大于返卤量，溶腔体积为：

而当注水量小于或等于返卤量时，溶腔体积为：

其中：Qw、Qb-注水和返卤流量，m3/h；ρw、ρb、ρc-注入水、返出卤水及腔内卤水密度，kg/m3，取ρb=ρc。

2.2 净体积计算

假设不溶物含量为A，%。不溶物蓬松系数为β，无量纲，不溶物的堆积体积为：

则盐穴的净体积为：

2.3 不溶物含量和蓬松系数的取值

盐穴在溶蚀过程中沉降的不溶物以地层中天然硬石膏水化后的产物—二水石膏（CaSO4·2H2O）为主，并因沉积环境的不同兼有砂质、泥质和其他不溶盐类等不溶物。除此之外，由于盐腔底部为饱和卤水，井壁崩落的盐块坠入其中后将不再溶解，因此也是盐腔底部不溶物的重要来源。

图3 某盐穴储气库井最近两次声呐测试的盐腔底部叠加对比Fig.3 Comparison of the bottom level between the two last sonar surveys of some cavern

不溶物含量的取值除要参考测井解释成果、岩心分析结果和拟合历史外，应当着重实际的不溶物含量，以便同时匹配体积、盐腔底部深度的变化（见图3）。

实际不溶物含量A 可根据实测腔体净体积的增幅Vdi和不溶物所占据体积的增量Vjj进行计算。

其中，硬石膏全部转化为二水石膏时其理论绝对体积将增大58 %，考虑其他不溶物并不发生水化膨胀，因此不溶物蓬松系数β 一般取1.5。

3 应用情况

根据前述方法，在已知历史实测体积数据的基础上，对某盐穴储气库项目UGS1 井的不溶物含量进行反向折算，其结果（见表1）。从表1 折算结果来看，与传统的物质平衡计算法相比，优化计算法更加接近软件模拟结果，能够比较准确地反映盐穴体积发展的真实情况。

某盐穴储气库项目在溶盐穴地下储气库井4 口，应用上述方法分别对其体积进行计算。对比实测（声呐测腔）容积，体积偏差平均约0.22 %，计算精度较高（见表2）。

表1 UGS1 井实测体积及折算不溶物含量Tab.1 The survey volume and deduced insoluble content for UGS1

表2 某盐穴储气库溶腔体积计算值与实测值统计对比表Tab.2 The comparison of survey volume and calculated volume for wells in a project

4 结论与认识

（1）溶腔过程中，注入水并不全部参与腔体的溶蚀过程。其中滞留水将留在腔体参与溶解进程。而产出水则与井腔内的卤水相混合，最终排出腔体。根据这一认识，依据物质守恒原理优化物质平衡模型和计算方法，能够更加准确地反映盐穴溶蚀进展，提高溶腔体积的计算精度。

（2）由于溶腔过程中始终存在不同程度且不可控制的盐块崩落、偏溶及蠕变等现象，不溶物含量无法精确取值，因此计算误差不可避免。但在偏溶或崩落等现象不发育的情况下，随着腔体体积的增大，不溶物含量的取值趋于稳定，计算的准确性会相应提高。