水平对接采卤井腔体溶蚀形态分析

周冬林，焦雨佳，杜玉洁，王立东

中国石油天然气股份有限公司盐穴储气库技术研究中心，江苏 镇江212000

引言

中国的盐穴储气库建设经过数十年的发展，已经进入新的发展阶段。一方面，经历多次用气高峰期气源紧张的考验后，储气库的作用和必要性被社会各界广泛认同，从国家到地方政府、从央企到民营企业都开始重视储气库的建设，中国的储气库建设正面临前所未有发展机遇。另一方面，储气库建设面临新的挑战，可利用的优质建库资源缺乏。目前，勘探发现的盐层都以层状形式产出，其特点是不溶物夹层数量多，盐岩单层厚度小，导致水溶造腔速度慢、建库成本高、建库周期长等问题，严重制约着盐穴储气库的建设[1-4]。但与此相对应的，是中国数十年的井矿盐开采历史，常年采卤形成的地下盐腔数量众多，仅湖北云应、河南平顶山等地拥有老腔500 多个，大部分充满卤水处于废弃闲置状态。如果可以将这些老腔改建为储气库，既能加快储气库建设，又回收利用了资源，前景十分广阔[3-9]。

老腔再利用并不是新概念，早在20 世纪50 年代，荷兰、美国及加拿大等国就使用老腔存储天然气和石油，20 世纪80 年代进一步使用盐腔储存氢气、废弃残渣以及核废料。2011 年，井神盐化采用自有的废弃盐腔储存废弃的碱渣。金坛盐穴储气库建设之初，就改造利用5 个单井老腔储存天然气，在老腔评价和改造利用方面已经形成了相对完备的技术[10-12]。

但改造利用对接采卤井溶蚀形成的老腔也面临新的难点，与金坛单井老腔相比，这类盐腔的腔体形态难以直接通过声呐检测来解决问题，而弄清对接井采卤腔体的形态是改造利用的主要前提，有关这个问题的研究国内处于空白，国外也鲜见报道。通过声呐检测结果、结合生产资料和井身结构等资料，建立了对接井老腔的形态模型，为对接井老腔的改造利用提供依据。

1 对接井老腔基本情况

1.1 生产方式

以江苏省淮安市某地区的采卤井为例，该地区主要含盐层段为古近系阜宁组四段上盐亚段，盐层埋藏深度约1 000∼1 700 m，为层状盐岩地层，含盐地层中的夹层主要为泥岩，含少量硬石膏或砂岩，厚度0.2∼5.0 m，个别的大夹层厚度达10 m；盐岩主要成分为NaCl，含少量泥岩或硬石膏钙芒硝，厚度0.2∼2.0 m，地层整体平均不溶物含量约为45%，如图1 所示。该地区采卤井主要为水平对接井，井距约300 m 左右，井组之间的距离约120 m 左右，钻井井深1 300∼1 500 m，开采时间约10 a[13-14]。

图1 淮安盐矿古近系阜宁组四段上盐亚段岩性剖面Fig.1 Lithologic profiles of theuppermemberofinHuai′anSalt Mine

水平对接井采卤通过钻两口井，一口为直井，另一口为水平井，两井在地下通过裸眼连通进行循环的采卤方式。两井的生产套管均采用单层管柱，一口井注入淡水，另一口井采出卤水，两井作为注入井和采出井的角色不定期更换，采卤过程中无油垫控制，当管柱被掩埋导致排卤困难时，直接切割生产管，这种生产方式相对单井采卤能够获得高浓度的卤水，且对盐层利用更为充分，因此，使用得更为普遍，采卤形成的连通型老腔在平顶山、云应、淮安、楚州等地有广泛分布[15-18]。

1.2 井身结构

以淮安盐矿某矿区某1 组水平对接井为例，其井身结构如下：直井名V 井，导管φ377.0 mm 下深65 m，表层套管φ244.5 mm 下深452 m，φ177.8 mm生产套管下深1 448 m，套管均固井至地面，裸眼井深1 480 m。

水平井名H 井，导管φ377.0 mm 下深62 m，表层套管φ244.5 mm 下深450 m，φ177.8 mm 生产套管下深1 433 m，套管均固井至地面，水平裸眼段与V 井连通，裸眼井深1 490 m，如图图2 所示。

图2 某水平对接井初始井身结构Fig.2 Initial wellbore structure of horizontally directional butted wells

1.3 生产情况

该水平对接井分别在770 m 和750 m 钻遇盐层，并在主要盐层段完钻。自2007 年开始采卤，期间由于不采用油垫控制上溶，生产管多次被不溶物掩埋，每次均通过割管方式解堵以恢复生产，经过多次割管后，目前V 井和H 井生产套管底部深度分别为1 272 m 和1 340 m。

生产至今，累计注水737.5×104m3，累计采卤678.1×104m3。按照采卤浓度300 g/L，盐密度2 160 kg/m3，折算采盐体积为94.2×104m3，采卤地层平均不溶物含量为45%，因此，估算地下采动空间体积为171.2×104m3。

2 对接井老腔声呐检测

2.1 声呐检测

声呐检测技术是目前测量地下腔体形态的最直接有效的技术方法，能够直接测量腔体的空间形态并显示出二维和三维的图像，在单井采卤形成的腔体内获得了很好的应用效果[19-20]。由于仪器靠重力下入井内，因此，无法测试水平井段和造斜段，但由于水平井H 井的生产管经过多次割管，生产套管造斜段已完全被切割，这为该井进行声呐检测提供了可能，分别在V 井和H 井内实施声呐测试，首次揭开了连通老腔腔体特征。

V 井的盐腔形态呈半球形，腔顶深度1 294 m，腔底深度1 322 m，腔高27 m，腔体体积49 904 m3。盐腔最大直径约77 m（深度1 309 m），在北偏西约10° 方向，该井与H 井连线方向最大半径不超过30 m。

如图3 所示，H 井盐腔形态呈似圆锥形，腔顶深度1 260.7 m，腔底深度1 305.7 m，腔高45 m，腔体体积121 158 m3。盐腔最大直径约107 m（深度1 298 m），在北偏西约10°方向，该井与V 井连线方向最大半径不超过40 m。

图3 V 井和H 井腔体声呐检测结果Fig.3 Cavern shapes detected by sonar survey of Well V and Well H

2.2 检测结果分析

单从声呐检测到的结果看，对接井采卤形成的老腔仅在V 井和H 井的井眼附近形成腔体，几乎看不出他们之间是连通采卤溶蚀形成的，更像是两个单独溶蚀形成的独立腔体。地理位置上，V 井位于H 井北偏东70°距离300 多米处，两井之间循环注采，但测量得到的两个腔体形态看上去与此并无关系，沿着两个腔体之间卤水流动方向的腔体半径并未出现增大，腔体整体形态都较为规则。

将声呐检测的腔体形态与对接井井身结构组合分析，可见两井由1 480∼1 490 m 开始采卤，采卤过程中由于没有控制上溶，两井的腔体向上快速溶蚀，加上不溶物含量高，底坑堆积速度快，目前的底坑高度相对于初始溶蚀时，分别升高157 m 和185 m。声呐检测腔体下部底坑的形态以及两个腔体之间的连通部分形态无法直接通过声呐检测获得（图4）。

图4 对接井井身结构和声呐检测腔体位置图Fig.4 Wellbore structure and cavern location of horizontally directional butted wells

3 腔体形态预测

3.1 底坑体积计算

腔体的形态由自由体积和底坑体积两部分组成，声呐检测方法只能测得腔体的自由体积，腔体的底坑形态仍然属于未知。要了解腔体整体的形态，尤其是连通部分的形态，必须恢复腔体底坑的形态。

声呐检测得到的腔体自由体积分别为49 904 m3和121 158 m3，合计17.106 2×104m3。生产资料得到的盐层内采动体积为171.2×104m3，因此，该连通老腔底坑总体积为154×104m3，自由体积与底坑体积之比为1：9。可见，在整个腔体总体积中，不溶物掩埋形成的底坑体积占据了绝大部分体积。

3.2 底坑形态预测

根据现有资料，包括钻井地质条件、井眼轨迹，结合生产资料和声呐检测，对连通腔体的形态进行假想，预测连通腔体整体形态为U 形。

V 井为直井，盐腔自由体积之下被不溶物掩埋，形态近似圆柱体，H 井为水平井，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。预测盐腔底坑的形态由A、B、C、D 共4 部分组成，其体积总和应为154×104m3。

A 为H 井造斜点以上至底坑顶面的圆柱体，高度为hA，B 为H 井造斜点至水平段起点近圆锥体，高度为hB，且hA+hB=185。C 为水平连通通道近圆柱体，hC=244 m，D 为V 井盐腔近圆柱体，高度hD为158 m。

底坑各部分形态体积计算公式为

下标：A，B，C，D—腔体底坑4 个对应的部分。

对于水平段的形态预测是整个对接井老腔腔体模型的关键。由于腔体高度大，两口井的井距大，因此，注入的淡水到达水平段时必定趋于饱和。因此，水平段的溶蚀强度较小，且受到夹层的影响，水平段的规模难以持续扩展，参照单层盐岩厚度，水平段的高度按照20 m 计算。

计算得到A 和B 的界面为1 370 m，U 形腔体的形态和各部分体积如表1 和图5。

表1 水平对接井各部分体积估算表Tab.1 Estimated volume of each segment of horizontally directional_butted wells

图5 某水平对接采卤井溶蚀腔体形态预测图Fig.5 Prediction of cavern shape of horizontally directional butted wells

3.3 水平腔段形态检测

V 井和H 井测得的腔体显示互相独立的状态，类似于两个单井循环采卤形成的腔体。但两者是连通井采卤形成的，其底坑必定互相连通且允许卤水流动。根据声呐检测和生产数结合井眼轨迹，计算了连通老腔的腔体形态。

为了进一步落实两井之间连通部分的形态特点，对连通井段进行钻探和声呐检测，新钻井Vce成功钻遇水平腔段，完钻深度1 477.0 m，压力测试表明，Vce井与V 井以及H 井压力连通，验证了水平层段的存在性，其顶板深度与水平对接井裸眼井段略浅5 m 左右，表明了水平腔段盐层的溶蚀和扩展是短暂而有限的，只在循环采卤的初期发生，溶蚀发生一段时间后受饱和卤水控制不再继续溶蚀扩大。

对水平段实施声呐检测，实测结果显示，“腔体”最高点1 477.0 m，“腔体”最低点1 479.5 m，最大半径0.6 m，最大直径1.0 m，深度1 478.0 m，腔体体积0.67 m3，如同冰箱大小。

声呐测试得到的微型腔体，实际上是钻井过程中钻具搅动形成的扩大井眼，微型腔体之外仍是不溶物掩埋的状态，这直接验证了水平腔段没有自由体积，属于被不溶物完全掩埋的状态，表明对于对接井老腔腔体形态的预测是准确的，如图6所示。

图6 Vce 钻井位置和声呐检测腔体形态立体图及平面图Fig.6 Drilling location and cavern shape of Well Vce

4 结论

（1）声呐检测技术只能揭示水平对接井老腔的腔体部分形态，老腔的自由体积仅局限于井眼附近，其余部分都被不溶物掩埋。

（2）根据声呐检测、生产资料和井眼轨迹，构建了连通老腔腔体形态模型，计算结果表明腔体整体呈U 形形态，由井眼附近两个类似于单井溶蚀形成的腔体和一个水平连通段组成。井眼附近的腔体大部分被不溶物掩埋，水平段完全被不溶物掩埋。

（3）对水平腔段的钻井和声呐检测结果，进一步证明了水平腔段只发生过短暂的溶蚀，形成了狭长的通道，没有自由体积。