鹽穴地下儲(chǔ)氣庫氣密封檢測技術(shù)

摘 要

摘要：建設(shè)鹽穴地下儲(chǔ)氣庫是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)雜工程，對(duì)鹽穴的氣密封性有著很高的要求，其密封性檢測技術(shù)就成為評(píng)價(jià)建庫工程成敗的關(guān)鍵。為此，分析了中國建設(shè)鹽穴地下儲(chǔ)氣庫的特殊性
摘要：建設(shè)鹽穴地下儲(chǔ)氣庫是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)雜工程，對(duì)鹽穴的氣密封性有著很高的要求，其密封性檢測技術(shù)就成為評(píng)價(jià)建庫工程成敗的關(guān)鍵。為此，分析了中國建設(shè)鹽穴地下儲(chǔ)氣庫的特殊性(鹽穴儲(chǔ)氣庫的鹽層具有礦層層數(shù)多、單層厚度小、夾層多、含鹽品位低、共生組分多和相變大等特點(diǎn))，指出了建設(shè)鹽穴地下儲(chǔ)氣庫工程發(fā)生天然氣泄漏的主要影響因素(井筒工程因素、地質(zhì)因素和地面設(shè)備因素)，重點(diǎn)論述了建設(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫鉆完井井筒密封性檢測技術(shù)、水溶造腔過程中腔體的檢測技術(shù)、首次注氣排鹵前鹽穴完整性氣密封檢測技術(shù)和鹽穴地下儲(chǔ)氣庫運(yùn)行后的評(píng)估檢測技術(shù)。以上技術(shù)具有氣密封性檢測精度高、工期短、能耗低、工序簡化及節(jié)省投資等特點(diǎn)，對(duì)我國正在建設(shè)和今后準(zhǔn)備建設(shè)的鹽穴儲(chǔ)氣庫工程具有參考和借鑒作用。
關(guān)鍵詞：天然氣儲(chǔ)備；鹽穴地下儲(chǔ)氣庫；密封性檢測；天然氣泄漏；檢測技術(shù)
    鹽穴地下儲(chǔ)氣庫是根據(jù)水溶鹽巖采鹵原理，通過淡水置換和人工控制的方法，在地下形成一定體積的溶腔作為存儲(chǔ)空間。鹽穴地下儲(chǔ)氣庫除可以儲(chǔ)存天然氣外，還可用以儲(chǔ)存液態(tài)原油、成品油、氫氣和C02等其他類型氣態(tài)產(chǎn)品[1]；在人口稀少的地區(qū)還可以利用鹽穴進(jìn)行深層封存放射性工業(yè)垃圾和核廢料等。因此，建設(shè)鹽穴地下儲(chǔ)氣庫是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)雜工程，對(duì)鹽穴的氣密封性有著很高的要求，而鹽穴儲(chǔ)氣庫密封性檢測技術(shù)就成為評(píng)價(jià)建庫工程成敗的關(guān)鍵。國外已經(jīng)建設(shè)投入運(yùn)營的鹽穴儲(chǔ)氣庫有74座，占全球地下儲(chǔ)氣庫總量的11.7%[2]。各國都十分重視鹽穴儲(chǔ)氣庫的氣密封性檢測，以確保高風(fēng)險(xiǎn)儲(chǔ)氣工程的安全。
    中國江蘇地區(qū)建設(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在整個(gè)建庫系統(tǒng)工程中，鹽穴儲(chǔ)氣庫的氣密封檢測包括4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：①完井套管井筒密封性檢測技術(shù)；②水溶造腔過程中腔體檢測技術(shù)；③首次注氣排鹵鹽穴完整性氣密封檢測技術(shù)；④鹽穴儲(chǔ)氣庫運(yùn)行后的評(píng)估檢測技術(shù)。
1 中國鹽穴地下儲(chǔ)氣庫的特殊性
1.1 鹽巖層狀分布，厚度小，夾層多，含鹽品位低
    中國利用層狀鹽巖體建設(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫取得重大進(jìn)展。由于東部地區(qū)的成鹽期主要在印支運(yùn)動(dòng)后期，地層結(jié)構(gòu)為內(nèi)陸湖相沉積鹽巖地層，幾乎全部屬于水平層狀結(jié)構(gòu)地層，鹽層具有礦層層數(shù)多、單層厚度小、夾層多、含鹽品位低、共生組分多和相變大等特點(diǎn)。
    由于層狀鹽巖與國外鹽丘的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，故中國鹽穴儲(chǔ)氣庫的設(shè)計(jì)也和國外的設(shè)計(jì)不盡相同。國外在鹽丘中建庫，溶腔埋深比較靈活，腔體體積達(dá)到幾十萬甚至上百萬立方米，溶腔呈“氧氣瓶”狀的理想形態(tài)。而中國在層狀鹽巖中不宜建設(shè)埋深較大的氣庫，因腔體高度受到地質(zhì)條件的限制，溶腔體積一般為10×104～20×104m3，溶腔的形態(tài)為橢球形。
    江蘇地區(qū)正在建設(shè)的鹽穴儲(chǔ)氣庫，其鹽層單層厚度介于20～50m，累計(jì)厚度約為200m，夾層占鹽層總厚度的10%～15%，含鹽品位為50%～80%。建庫工程采用垂直硐室結(jié)構(gòu)方案，水溶造腔過程中要穿越多個(gè)泥質(zhì)夾層，因此，注采氣井的生產(chǎn)套管、生產(chǎn)套管鞋附近及套管固井質(zhì)量的氣密封性就成為建庫工程泄漏風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵控制點(diǎn)。
1.2 鹽穴儲(chǔ)氣庫氣密封檢測工程質(zhì)量要求高
   鹽穴儲(chǔ)氣庫的運(yùn)行不同于其他孔隙型地下儲(chǔ)氣庫。儲(chǔ)氣庫既是很好的儲(chǔ)氣場所，又是很方便的供氣“氣源”。從注氣期開始到注入的天然氣充滿儲(chǔ)氣庫，儲(chǔ)氣庫的運(yùn)行壓力從下限壓力提升到上限壓力；供氣時(shí)到采氣期結(jié)束，全部采出氣庫內(nèi)的工作氣量，儲(chǔ)氣庫的運(yùn)行壓力從上限壓力下降到下限壓力附近，這樣的1次注采氣升降壓過程，稱為儲(chǔ)氣庫運(yùn)行周期?？紫缎偷叵聝?chǔ)氣庫受地質(zhì)滲流條件的限制，主要發(fā)揮季節(jié)性調(diào)峰的作用，一般每年運(yùn)行1～2個(gè)周期。而鹽穴儲(chǔ)氣庫由于是地下洞穴狀態(tài)，可以發(fā)揮應(yīng)急和用氣高峰調(diào)峰的作用，根據(jù)安全運(yùn)行設(shè)計(jì)方案和供氣需求，每年可以運(yùn)行8～10個(gè)周期。
   因此，多周期注采運(yùn)行使得儲(chǔ)氣庫長期處于反復(fù)交變載荷的變化過程當(dāng)中，這對(duì)于鹽穴腔體結(jié)構(gòu)的完整性、注采氣井的密封性與穩(wěn)定性都提出了更高的技術(shù)要求。
1.3 儲(chǔ)氣庫天然氣泄漏的主要影響因素分析
   地下儲(chǔ)氣庫最主要的危險(xiǎn)就是其儲(chǔ)存的天然氣發(fā)生泄漏。
   鹽穴儲(chǔ)氣庫可能發(fā)生天然氣泄漏的主要風(fēng)險(xiǎn)因素有井筒工程因素、地質(zhì)因素和地面設(shè)備因素等[3]。儲(chǔ)氣庫天然氣泄漏的方式主要表現(xiàn)為：①天然氣從注采氣井的套管漏失或從注采氣井套管固井膠結(jié)面上竄漏失；②天然氣從蓋層(斷層)漏失；③鹽穴受交變載荷的影響，儲(chǔ)氣庫壓力降低后，頂板或腔壁完整性受到破壞，導(dǎo)致天然氣漏失；④天然氣從地面設(shè)備和管道處漏失。目前儲(chǔ)氣庫所發(fā)生的天然氣泄漏事件，大多數(shù)是由于井筒工程原因而導(dǎo)致天然氣從注采氣井的套管或注采氣井套管固井膠結(jié)面上竄漏失的。
2 建設(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫的密封性檢測技術(shù)
2.1 完井井筒氣密封性檢測
    完成生產(chǎn)套管固井且經(jīng)工程測井反映固井質(zhì)量合格或優(yōu)良后，還必須通過全井筒氣密封性實(shí)驗(yàn)來檢查生產(chǎn)套管的技術(shù)狀況、固井的氣密封性以及生產(chǎn)套管鞋附近的氣密封狀態(tài)，從而確定該井是否可以開始水溶造腔并適用于未來的儲(chǔ)氣運(yùn)行。
    總結(jié)國外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得知，在利用氮?dú)庾鳛樵烨豁敯甯綦x保護(hù)介質(zhì)的前提下，井筒密封性檢測技術(shù)宜采用完井套管檢測一造腔聯(lián)作一步完成法。生產(chǎn)套管完井后，按照施工作業(yè)程序下入造腔管柱代替測試管柱，將造腔頂板隔離保護(hù)介質(zhì)氮?dú)鈴纳a(chǎn)套管與造腔管柱環(huán)形空間注入，氮?dú)獾竭_(dá)生產(chǎn)套管鞋以下部位，保證生產(chǎn)套管全部充滿氣體。保持溫度平衡后，繼續(xù)補(bǔ)充注氣，使套管鞋處壓力達(dá)到儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)的運(yùn)行上限壓力試壓8～10h，壓力保持穩(wěn)定則表明檢測合格。生產(chǎn)套管井筒密封性檢測合格后，直接利用測試氮?dú)庾鳛樵烨豁敯甯綦x保護(hù)介質(zhì)開始造腔。
    完井套管檢測一造腔聯(lián)作一步完成法的主要優(yōu)點(diǎn)為：①檢測氣體介質(zhì)與造腔頂板隔離保護(hù)介質(zhì)共用；②井筒密封性檢測與井下造腔管柱施工聯(lián)合作業(yè)一次完成，檢測精度滿足作業(yè)要求，降低了能耗，簡化了工序，縮短了工期，節(jié)省了投資。江蘇地區(qū)建設(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫，實(shí)施了15口新完鉆井造腔工程前期全井筒氣密封實(shí)驗(yàn)，有1口井因?yàn)闅饷芊鈾z測不合格而放棄繼續(xù)水溶造腔施工。
2.2 水溶造腔過程的腔體檢測
    鹽穴水溶造腔作業(yè)實(shí)施過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，在造腔的不同階段檢測鹽穴腔體的發(fā)展變化、腔體形態(tài)特征和幾何體積變化等是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
    水溶造腔過程腔體檢測的核心技術(shù)是成功應(yīng)用了聲吶探測技術(shù)。利用聲吶探測結(jié)果與造腔模擬計(jì)算，可以獲得常壓或高壓條件下鹽穴內(nèi)部結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特征，實(shí)時(shí)分析腔體有效容積、基本尺寸和形狀等動(dòng)態(tài)變化參數(shù)，檢測水溶腔體是否出現(xiàn)頂板、夾層崩落或腔體垮塌等現(xiàn)象，優(yōu)化造腔每個(gè)溶蝕階段的注排鹵流量、循環(huán)方式和造腔管柱上提位置等，從而排除造腔過程中地質(zhì)不確定因素可能造成的傷害，檢查、控制水溶腔體的完整性，進(jìn)而確定該井是否符合儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)規(guī)范并適用于未來的儲(chǔ)氣運(yùn)行。
2.3 鹽穴完整性氣密封檢測
    鹽穴完整性氣密封檢測是造腔結(jié)束后，在首次注氣排鹵之前實(shí)施腔體完整性密封試驗(yàn)的關(guān)鍵性技術(shù)，通過檢驗(yàn)腔體的完整性及生產(chǎn)套管鞋附近的氣密封性是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來排除造腔過程中可能造成的傷害，檢查鹽穴是否滿足安全運(yùn)行工作壓力區(qū)間的設(shè)計(jì)要求，從而確認(rèn)其是否具備儲(chǔ)存天然氣的能力[4]。
    該技術(shù)的應(yīng)用目前在國外主要以北美、歐洲地區(qū)為代表，都采用了API推薦的密封檢測方法原理，井筒下入測試管柱進(jìn)行注氣承壓實(shí)驗(yàn)，但2個(gè)地區(qū)密封性檢測評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)卻不同：北美地區(qū)API檢測方法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為24h測試時(shí)間內(nèi)氣水界面深度變化小于1m；歐洲地區(qū)的Geostock檢測方法則根據(jù)泄漏率與時(shí)間的關(guān)系曲線和泄漏率的絕對(duì)值來對(duì)鹽腔密封性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
    在國內(nèi)，鹽穴地下儲(chǔ)氣庫完整性氣密封檢測技術(shù)則綜合了國外API檢測方法和Geostock檢測方法，采用注采氣生產(chǎn)管柱(排鹵時(shí)插入中心排鹵管柱)代替測試管柱，利用儲(chǔ)氣庫儲(chǔ)存介質(zhì)(天然氣)作為鹽穴整體氣密封檢測介質(zhì)，向生產(chǎn)套管與注采氣生產(chǎn)管柱環(huán)形空間注入天然氣至生產(chǎn)套管鞋以下10m，保證生產(chǎn)套管井筒至生產(chǎn)套管鞋全部充滿氣體，待測試注氣頂替鹽鹵后腔體整體溫度平衡后，繼續(xù)補(bǔ)充注入天然氣，使套管鞋處的壓力達(dá)到儲(chǔ)氣庫的設(shè)計(jì)運(yùn)行上限壓力，進(jìn)行腔體完整性試壓，測試氣水界面深度，記錄井口檢測儀表數(shù)據(jù)，錄取地質(zhì)工程資料，24h連續(xù)測壓。氣密封檢測評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)為：①計(jì)算氣水液面隨時(shí)間的變化關(guān)系，要求其趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后變化率小于氣體壓縮體積；②鹽穴整體(腔體內(nèi)部、井筒)承壓達(dá)到儲(chǔ)氣庫允許的最高上限壓力且保持穩(wěn)定，壓降為零。鹽穴儲(chǔ)氣庫完整性氣密封檢測合格后，可以投入注氣排鹵，進(jìn)行完整性檢測的第二步：施工下入中心排鹵管柱，繼續(xù)向鹽穴中注氣，同時(shí)排出鹽穴體積內(nèi)的鹵水，剩余鹵水與天然氣界面的深度依設(shè)計(jì)而定，同時(shí)建立鹽穴內(nèi)最小壓力并保持在設(shè)計(jì)要求的精度下，測量鹽穴蠕變閉合值，將測量結(jié)果與設(shè)計(jì)預(yù)測的蠕變閉合值對(duì)比(從中可以看出預(yù)測及測量的結(jié)果僅在壓力釋放的初期有所不同，之后兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系非常好)。對(duì)于鹽穴長期閉合率的確定以最小內(nèi)部壓力測量為準(zhǔn)。
    經(jīng)過上述檢測，確認(rèn)鹽穴滿足安全運(yùn)行工作壓力區(qū)間的設(shè)計(jì)要求，具備儲(chǔ)存天然氣的能力，開始用于儲(chǔ)氣庫注采氣運(yùn)行。
3 鹽穴儲(chǔ)氣庫運(yùn)行后的評(píng)估檢測方法
3.1 鹽穴儲(chǔ)氣庫腔體密封性檢測
    鹽穴儲(chǔ)氣庫投入運(yùn)行后進(jìn)行注氣和采氣時(shí)，溶腔內(nèi)部的壓力和溫度在最大值和最小值之間變化。在溫度和壓力的作用下，鹽巖的流變性導(dǎo)致鹽穴發(fā)生塑性變形，從而逐漸減少了溶腔的體積，這種鹽穴腔體蠕動(dòng)閉合是隨時(shí)間而變化的。腔體的完整性決定了儲(chǔ)氣庫的最高運(yùn)行壓力，因?yàn)樵诤侠淼倪\(yùn)行壓力及溫度條件下，鹽巖體形變后不會(huì)產(chǎn)生裂縫。但是鹽穴儲(chǔ)氣庫的多周期長期運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生變形條件，鹽穴受交變載荷作用力的影響，可能會(huì)出現(xiàn)鹽穴頂板鹽體崩落或垮塌的現(xiàn)象。當(dāng)儲(chǔ)氣介質(zhì)開始向圍巖介質(zhì)漏失之時(shí)就是儲(chǔ)氣腔體廢棄之日。因此，鹽穴儲(chǔ)氣庫的運(yùn)行監(jiān)測是投入運(yùn)營后的重要工作。
    目前最為常用的儲(chǔ)氣庫運(yùn)行監(jiān)測技術(shù)就是聲吶探測技術(shù)，其次還有井下探測技術(shù)和熱力學(xué)技術(shù)等。聲吶探測技術(shù)結(jié)合井下實(shí)時(shí)探測技術(shù)可評(píng)價(jià)鹽穴內(nèi)部的壓力、溫度變化及熱力學(xué)特性。聲吶探測技術(shù)是在充氣的高壓溶腔內(nèi)進(jìn)行的，高壓溶腔聲吶探測不同于常規(guī)方法，在氣體密度較大時(shí)工作效果最佳，傳感器信號(hào)響應(yīng)比較明顯，聲吶探測范圍更大。利用聲吶儀探頭可以垂直或水平旋轉(zhuǎn)傾斜360°測得腔體資料，繪制成二維及三維圖像，將分析結(jié)果進(jìn)行模擬計(jì)算，可以獲得鹽穴儲(chǔ)氣庫運(yùn)行周期內(nèi)的壓降變化速度、應(yīng)力大小、鹽穴蠕變速度和閉合度等動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，同時(shí)還可獲銅注采氣生產(chǎn)運(yùn)行條件下鹽穴內(nèi)部結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特征及鹽穴受交變載荷作用力的影響程度。通過對(duì)比分析鹽定儲(chǔ)氣庫周期運(yùn)行動(dòng)態(tài)變化、預(yù)測鹽穴腔體密封性、定量分析鹽穴內(nèi)鹽體崩落或垮塌發(fā)生的狀況，可為鹽穴儲(chǔ)氣庫的運(yùn)行管理和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)[5]。聲吶攘測在儲(chǔ)氣庫運(yùn)行初期通常要求每年測試1次，遇到特殊情況可增加測試次數(shù)，儲(chǔ)氣庫正常運(yùn)行以后可以每2年測試1次。
3.2 鹽穴儲(chǔ)氣庫注采井密封性檢測
    鹽穴儲(chǔ)氣庫長期并多周期反復(fù)注采氣運(yùn)行，會(huì)改變注采氣井及儲(chǔ)氣庫本身的溫度和壓力條件。長期交變載荷、溫度和壓力條件的改變，會(huì)對(duì)注采井井筒(特別是生產(chǎn)套管鞋部位)產(chǎn)生不間斷的周期性強(qiáng)烈作用，破壞套管和固井水泥環(huán)，從而導(dǎo)致天然氣從套管和套管外部環(huán)形空間漏失，并向鹽穴頂部地表漏失，直接擴(kuò)散至大氣中造成泄漏。對(duì)儲(chǔ)氣庫運(yùn)行過程中的漏氣狀況可采用測井方法來確定，自然伽馬、中子伽馬、感應(yīng)中子和高靈敏井溫等測井系列技術(shù)是查明工程漏氣的有效方法。
    例如：高靈敏井溫測井技術(shù)就是首先利用原井溫測井資料作為參考值，通過重復(fù)測井將井溫曲線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)井溫曲線異常帶，綜合其他資料從而判定鹽穴地下儲(chǔ)氣庫中自下而上漏氣引起的溫度異常，由此確定井筒漏氣狀況及漏氣部位。
    另外，溶腔的穩(wěn)定性和蠕變性對(duì)地面沉降的影響由遍布庫區(qū)地面監(jiān)測系統(tǒng)的測量點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，階段性地監(jiān)測任何可能出現(xiàn)的沉降現(xiàn)象。
4 結(jié)論
1) 鹽穴地下儲(chǔ)氣庫可能發(fā)生天然氣泄漏的主要風(fēng)險(xiǎn)因素有井筒工程因素、地質(zhì)因素和地面設(shè)備因素。目前世界上所發(fā)生的地下儲(chǔ)氣庫天然氣泄漏事件大多數(shù)與井筒工程因素有關(guān)，造成天然氣從注采氣井的套管或生產(chǎn)套管固井膠結(jié)界面上竄發(fā)生漏失，應(yīng)該引起建庫工程的高度重視。
2) 在建設(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫的不同階段全過程實(shí)施氣密封檢測，從而保障地F儲(chǔ)氣厙建設(shè)與運(yùn)行系統(tǒng)的安全。鹽穴儲(chǔ)氣庫氣密封性檢測的關(guān)鍵技術(shù)包括：鉆完井井筒氣密封檢測、造腔后首次注氣排鹵前鹽穴完整性氣密封檢測以及鹽穴儲(chǔ)氣庫運(yùn)行后的評(píng)估檢測。
3) 完井井筒密封性檢測采用鉆完井井筒套管檢測施工與造腔管柱井下施工聯(lián)合作業(yè)法，同時(shí)有效地利用造腔頂板隔離氣體介質(zhì)進(jìn)行鉆完井井筒氣密封檢測，從而確定該井是否可以開始水溶造腔。通過鹽穴完整性氣密封檢測，在水溶造腔結(jié)束后進(jìn)一步確定該井是否可以適用于未來的儲(chǔ)氣運(yùn)行。采用首次注氣排鹵施工與注采氣井下施工作業(yè)一步法，可有效地利用鹽穴儲(chǔ)氣庫將要儲(chǔ)存的氣體介質(zhì)進(jìn)行氣密封檢測。
綜上所述，鹽穴地下儲(chǔ)氣庫氣密封性檢測技術(shù)具有氣密封性檢測精度高、工期短、能耗低、工序簡化、節(jié)省投資等特點(diǎn)。
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(本文作者：李建中1 李奇2 胥洪成1 1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院；2.中國科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所)