肖恩山，杜玉洁

（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 212100）

盐穴储气库是地下储气库的重要形式，与枯竭气藏储气库相比，盐穴储气库建设周期较长，主要原因是建造盐穴腔体（造腔）的时间较长，造腔时间占到盐穴储气库建设周期95 %以上[1-3]。盐穴储气库造腔分为建槽、腔体扩展、封顶三个阶段（见图1）。建槽是在矿层底部形成一个倒锥体的溶腔,为对流生产提供最佳溶解面。

在造腔过程中，为了防止盐层过快上溶，需向井下注入阻溶剂。目前国内盐穴储气库主要以柴油作为阻溶剂。在国外的盐穴储气库建设过程中，利用氮气作为阻溶剂已经有了较长时间的历史。与采用柴油作阻溶剂相比，采用氮气具有更环保、成本更低的优点，因此，采用氮气作为阻溶剂建造盐穴已经成为一个必然的选择[4-6]。

董建辉等进行了盐穴腔体扩展阶段以氮气作为阻溶剂造腔方法研究[7]，建立了在腔体扩展阶段以氮气作为保护层材料时气液界面深度的计算模型（见图2（a））。该模型中井下氮气体积由三部分组成：生产套管与中间管之间的环空体积V1，裸眼与中间管之间的环空体积V2，腔体内卤水与盐岩之间气态保护层的体积V3，在只考虑压力波动的情况下给出了腔体内气水界面稳定时的井口注气量计算方法。国内盐穴储气库也于近年开展了氮气作为阻溶剂造腔（腔体扩展阶段）的现场试验，取得了在造腔腔体扩展阶段以氮气作为阻溶剂的数据。

而在建槽阶段如以氮气作为阻溶剂，对我国目前的盐穴储气库是否适用，还没有人进行过相关研究。我国盐穴储气库均为层状盐层、盐层厚度不大，如在建槽阶段不能有效控制气水界面，气水界面上升过快，会导致下部盐层造腔体积的损失，从而影响整个腔体不能达到设计体积[8-10]。所以在建槽阶段控制好气水界面，从而使腔体底坑尽可能达到较大体积是十分重要的。

由于建槽开始阶段井下尚没有形成较大的腔体体积，井下氮气体积只由两部分组成[11-13]：生产套管与中间管之间的环空体积V1，裸眼与中间管之间的环空体积V2（见图2（b））。因此，从地面注水开始造腔后，井下工况的变化与腔体扩展阶段是不一样的，计算气水界面的变化应考虑以下几个方面的因素：

（1）氮气的压缩性远大于柴油，且受压力、温度的影响较明显；

（2）井筒内很快就会出现压力上升的情况；

（3）井筒内很快就会出现温度下降的情况；

（4）后续的造腔过程会出现注水压力的波动。

井筒压力、温度的变化会引起氮气体积的变化，氮气体积收缩，则气水界面会上移；氮气体积膨胀，氮气就会混入卤水中进入地面管线及卤水罐，如氮气量较大，会带来一定的生产安全风险[14，15]。

因此，研究采用氮气作阻溶剂时建槽阶段气水界面的变化规律是很有必要的。

1 计算方法

1.1 井下阻溶剂空间体积计算

该体积由两部分组成：

图1 造腔建槽、腔体扩展、封顶三个阶段

图2 氮气作为阻溶剂造腔示意图

井口至生产套管鞋井段，生产套管与造腔外管环空之间体积V1；生产套管鞋至造腔外管管鞋井段之间，裸眼段与造腔外管环空之间体积V2。

式中：D1-生产套管内径，m；D2-裸眼井段平均直径，m；D3-造腔外管外径，m；H1-生产套管深度，m；H2-裸眼段长度，m；V1-生产套管与造腔外管之间的环空体积，m3；V2-裸眼与造腔外管之间的环空体积，m3。

1.2 不同工况时井下氮气在标况下所占体积

根据理想气体状态方程，建立井口（标况）和井筒内气体状态方程：

首先，准确采集开井前和开井后井下压力和温度。

然后，分别计算开井前和开井后两种工况下，井下空间内氮气在标况下的体积，两者的差值即为需补注的氮气体积（标况）[16，17]。

2 计算实例

金坛某井主要参数：井号J*-*（见表1，表2），直井井深：1 050 m，井口温度（地面以下2 米左右）：20 ℃，井底温度：54 ℃，氮气作阻溶剂，注入氮气后关井。

表1 J*-*井身结构及造腔管柱数据

表2 J*-*关井及开井注水造腔时压力参数

根据公式（1）、（3），首先计算关井工况，关井时Φ244.5 mm+Φ177.8 mm 环空平均压力为10.7 MPa，井筒平均温度为37 ℃，氮气压缩因子1.013 4，经计算，关井工况时井下氮气在标况下所占体积为1 937.3 m3。

再计算开井工况，开井时Φ244.5 mm+Φ177.8 mm环空平均压力为12.4 MPa，井筒平均温度为20 ℃，氮气压缩因子1.008 7，经计算，开井工况时井下氮气在标况下所占体积为2 386.3 m3。

两者的差值为450 m3，即为需补注的氮气体积（标况）。如不及时补注，气水界面将上升[18，19]，经计算，上升高度为55.2 m。

3 结论与建议

（1）在建槽阶段以氮气作为阻溶剂，对我国目前的盐穴储气库建设是可行的；

（2）建槽阶段井下尚没有形成较大的腔体体积，井下水体体积较小，从地面注水后，井筒温度下降较大；

（3）建槽阶段井下尚没有形成较大的腔体体积，与造腔后期相比，井下不能形成阻溶剂垫层，一旦井下温度、压力发生变化，气水界面就会随之发生波动；

（4）建槽阶段如以氮气作阻溶剂，开井后应避免工况剧烈变化；

（5）建槽阶段如以氮气作阻溶剂，开井造腔前应进行工况参数预测，以计算氮气补注量，实际补注的量暂建议为计算结果的1.5 倍，积累经验后再适当调整；

（6）补注氮气的时机：开井时应同时补注氮气；

（7）正常造腔过程中，如需增加排量，则压力上升，气水界面上移，因此也应同时补注氮气；反之，则压力下降，气水界面下移，可能会有氮气随卤水逸出。