陈西西,杨小平,荣伟,谢唯一,潘众,刘靓雯,张滢滢,卫思祺,贺涛

(1.中国石油天然气股份有限公司华北油田分公司工程技术研究院,任丘 062550;2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,武汉 430000;3.中国科学院大学,北京 100049)

直井单腔造腔法是当前中国建造盐穴储气库主要采用的方法[1-2]。但是中国层状盐岩不同于国外盐丘型地质条件,具有盐层厚度薄、夹层多等特点[3]。单直井造腔法在中国工程应用中存在溶腔时间长、造腔效率低、建腔成本高、盐层利用率低的劣势[4]。而小间距双井造腔法是一种新的造腔方法,具有缩短造腔周期、降低成本、提高注采气效率和增大腔体体积等优点。小间距双井造腔方法最早用于[3]建造盐穴地下储库溶腔,相比于单井对流法,该技术可以显著提升排卤流量,进而缩短造腔周期。小间距双井造腔方法最大的特点是同时采用2口井进行溶蚀作业,形成一水平放置的椭圆形腔体。该方法可以很好地利用水平方向的空间,提高水平薄盐层的空间利用率。

当前,已经有多项工作对小间距双井造腔工艺进行了研究。班凡生[5]分析了采用双井造腔技术提高层状盐层造腔速度的可行性。郑雅丽等[6]提出了采用自然溶通的方法进行双井造腔;姜德义等[7]探究了层状盐岩小间距双井水溶造腔中流场浓度场特征。任松等[8]进行了双井造腔水溶实验,探究了注水流量对于腔体拓展的影响。易亮等[9]探究了不同提管方式对双井造腔腔体形态的作用。小间距两井盐洞在运行中的稳定性问题也已经有学者进行了探讨[1,10]。但是由于小间距双井造腔方法中双井间距、注水排卤方式等还没有得到充分研究,还未能在造腔工程中普遍应用[11-12]。当前急需对小间距双井造腔方法的工程参数进行研究,为小间距双井造腔在工程中的应用提供参考。

鉴于此,开展物理模型试验小间距双井造腔参数的合理性进行探究。基于相似理论,分别完成不同井间距和注水流量的造腔试验,试验中记录造腔时间、排卤浓度、腔体体积等重要参数,并对各组试验进行对比优选出合适的造腔参数。最后,基于试验结果提炼出小间距对井造腔参数的优选方法。

1 地质条件

双井造腔法是一种新的造腔方法,其主要工艺是向目标盐层打两个距离较近的竖井,然后采用水平钻井技术将两竖井的底部相连,利用两口竖井进行注采溶蚀造腔。双井造腔法具有缩短造腔周期、降低成本、提高注采气效率和增大腔体体积等优点。国外采用双井造腔通常是为了增大注水排卤流量,如法国MANOSQUE的TA &TB储气库[11]、荷兰Zuidwending储气库[13]。法国于2008年开始在GEOSEL-MANOSQUE地区采用双井造腔法进行TA&TB储气库造腔,储气库体积可达50×104m3。荷兰由双井建成的储气库位于格罗宁根Zuidwending村附近的盐丘,总计容积约为620 000 m3。岩盐层厚度是建造溶腔储备库的重要条件,外国盐丘构造岩盐矿层厚数十米到数百米,盐层NaCl含量超过80%,建库大部分在盐丘中。

在中国,双井溶腔试验最先在湖北云应展开。云应盐岩矿床赋存于地下100～600 m,盐层累计厚度较大,约为250 m。盐层连续性好,盐层厚度占地层厚度的82%～85%,不溶物含量为15%～20%[13]。云应盐矿床属于复合型矿床,盐层和非盐夹层、间隔层形成不等厚互层。受竖直方向上的多夹层结构影响,传统的单井对流法造腔无法充分利用地层[14]。小间距双井造腔可以增大腔体的水平拓展距离,因此在湖北云应盐矿开展了小间距双井水溶造腔现场先导试验。作为一种新的造腔方法,目前尚处于研究阶段,未开发出造腔模拟软件,也未形成系统的和成熟的造腔工艺。

2 造腔模拟方法

盐穴储气库溶腔阶段的形状控制是影响腔体质量的一个关键因素[7]。单井对流法造腔中,油垫高度、造腔内外管高度等参数直接影响腔体形状。而在小井间距双井造腔中,腔体形态不仅与上述油垫高度、造腔套管高度有关,还与两井间距、排卤流量以及提管方式有关[5]。目前通常采用物理模型试验的方法,对上述工程参数的合理性进行研究。小间距双井造腔试验装置和造腔参数将按照相似理论进行搭建。本实验室中盐腔直径是30 cm,对应于实际盐腔直径60 m,而,即尺度比例为1∶200,试验注水流量为现场的1/2003,时间是现场溶解时间的1/200。图1为试验装置图,添加了一个高精度蠕动流量泵,可以完成将淡水注入盐岩空腔内的操作,在注水的压力下腔内的卤水将由右端排卤管进行排出,此过程模拟了盐穴储气库双井分别注水采卤的过程。每一套管柱系统中包含造腔套管和生产套管两种结构:造腔套管用于注水淡水和排出卤水,生产套管用于注入环空保护液以防止卤水上溶过多。蠕动流量泵包含流量监测功能,可以实时测量和更改注水流量。盐岩模型为二分之一模型结构,其对称面被亚克力板覆盖并用环氧树脂进行密封,通过可视化模型观察溶腔形态拓展规律,并可通过摄像机进行记录。通过改变溶腔入口流量、提管高度、两管间距,可以模拟不同工况下腔体形态的发展。本实验是对腔体形态变化规律进行探究,选取了巴基斯坦盐矿中的方形盐砖作为试验模型,其尺寸为30 cm(长)×20 cm(宽)×20 cm(高)。

图1 溶腔试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the construction cavity test device

盐腔的形态扩展过程就是盐腔内壁盐岩持续的溶解过程,盐腔呈现出的各种形态反映的是盐腔内部各处溶解速率的不同。在预设水平连接段的造腔方案中,开始即选用一端注水一端排水的方式进行溶腔,每次间隔2 h,将注水管与排卤管对调。试验过程中通过透明亚克力板可以实时观测到盐腔轮廓,每隔30 min使用相机拍照获取盐腔形态,从而记录盐腔形态整个变化过程。双井间距对腔体扩展的影响不可忽视,不同井间距下的淡水流分布区域差别很大。特设计以下试验,探究不同井间距下的腔体扩展过程。此试验利用相同尺寸盐砖,造腔管柱布置方案可以分为:①双井间距5 cm,同时最下端设计水平对接连通段;②双井间距10 cm,设置水平连接段;③双井间距15 cm,设置水平连接段。注水流量分为4组:5、10、20、30 mL/min。

2.1 双井间距

图2为不同井间距下盐腔形态发展过程。以下分别对4种造腔进程进行说明,从而分析不同井间距对腔体形态发展的影响。腔体的最初形态为人工切割的横槽(图1),对应于水平井井眼。10 m井间距有对接井中,在注水井与排卤井反复交替下,左右侧腔体交替快速扩展,最终的腔形呈现左右近似相等的形状。可以看出,最终的腔体直径大致等于两倍井间距,腔形在水平方向上较紧凑。20 m井间距有对接井中,最终形成的腔体在水平方向跨度更大,在同一高度的盐岩层中,形成的腔体体积更大。腔体最终呈长轴在水平方向的橄榄形,更好地利用了薄盐层的空间。当井间距为30 m时,腔体扩展过程与前面类似,但是由于井距增大,腔体内水平段明显增长,在建槽期淡水可以在水平段内充分吸收盐溶质,所以水平段中腔顶较平整,未出现明显倾斜面[图2(c)]。但是当腔体直径逐渐增大由于淡水的注入速度较小,淡水从注水管柱进入腔体之后,在较高浓度的卤水中向前运动的距离有限,相反极易受到浮力而向上运动。在注水井与排卤井附近区域,可以看出腔体顶部迅速上溶,溶解速度远超过水平段。最终腔体两端由于更多的接触淡水,溶解程度更高,而水平段溶解速度小,溶解程度低,使得腔体最终呈U形。这种腔形虽然较好地利用了水平空间,但是管柱附近的腔体快速上溶难以控制,给腔体的稳定性和气密性带来风险。

图2 不同井间距下造腔形态记录Fig.2 Records of cavity formation under different well spacing

综上所述,较大和较小的井间距都不利于溶腔工作:井间距较小时,腔体水平方向长度小,没有较好的利用水平空间;井间距较大时,水平段的腔体溶解速度明显降低,且腔体形态不规则。预制水平腔可以大大缩短建槽期时间,提高造腔效率,同时合适的水平对接段可以大大提高腔体的水平方向拓展长度。

2.2 注水流量

图3～图6为不同注水流量条件下盐腔形态发展过程。分别对4种造腔进程进行说明,从而分析不同注水流量对水平腔体发展的影响。5 mL/min注水流量下,注入淡水之后腔体开始逐渐发展,造腔经过1 h之后,腔体顶部出现明显的斜面,斜面的呈左高右低的形态。注水管口附近存在一明显的小弧形顶,腔顶高度从出水管口至排水管口降低(图4)。造腔继续进行,腔顶斜面斜率缓慢变大,注水管口附近弧形顶更加明显(图5、图6)。之后弧形顶出现气泡并集聚,形成一层气垫阻止继续上溶,平顶扩大,其余不受气泡影响的腔顶依旧保持斜面,如图3～图6中T=2、3 h(T为造腔持续时间)时所示。最终的腔形呈现左高右低类似于“鞋”轮廓的形状。

T为造腔持续时间图3 5 mL/min流量下造腔形态记录Fig.3 Records of cavity formation under 5 mL/min flow rates

T为造腔持续时间图4 10 mL/min流量下造腔形态记录Fig.4 Records of cavity formation under 10 mL/min flow rates

T为造腔持续时间图5 20 mL/min流量下造腔形态记录Fig.5 Records of cavity formation under 20 mL/min flow rates

T为造腔持续时间图6 30 mL/min流量下造腔形态记录Fig.6 Records of cavity formation under 30 mL/min flow rates

现在分析这种水溶情况不均匀的原因,5 mL/min属于较低流量,淡水从注水管柱进入腔体之后,在较高浓度的卤水中向前运动的距离有限,相反极易受到浮力而向上运动,淡水首先在井口附近参与盐岩溶解,所以在距离注水口1 cm的位置处形成一极高的弧形顶。之后卤水向排水口运动的过程中继续参与溶解,浓度不断升高,到达排水口时达到最高;总之,由于整个水平通道浓度的不均匀性,注水口附近卤水浓度低,溶解快,腔顶抬升快;而排卤口附近卤水浓度高,腔顶抬升慢,所以最终形成这种左高右低的不规则腔体。10 mL/min注水流量下,腔顶亦呈现注水口侧高而排卤口侧低的斜面,但是斜率较之于5 mL/min流量下腔体明显变小,左侧腔顶与右侧腔顶的高度差不超过1 cm。这种情况出现的原因是,由于注水流量变大,淡水向前运动的趋势明显,腔体内对流扩散程度加强,导致腔体内的卤水沿水平方向不存在很明显的浓度差,所形成的斜面较平缓,腔体相对规则。但是腔体内卤水左侧浓度低、右侧浓度高的情况依然存在,如果在现实较大尺度下,右侧易变饱和而腔体不继续扩展,左侧卤水浓度低扩展速度快,最终腔形也不是很理想。

20 mL/min和30 mL/min注水流量下腔体扩展过程类似,由于注入流量显著增大,腔体内卤水浓度低并且分布均匀,在水平方向和竖直方向都不存在较大浓度差,所以腔顶较为平整,未出现明显倾斜面,腔体顶部起伏高差在0.5 cm以内。甚至由于淡水前冲动量足够大,甚至能运动至排水管附近,在排水管附近遇到盐壁折回,形成较大的流速,此处腔顶抬升反而更明显(图4、图5)。由于腔内卤水浓度低,腔体发展迅速,在很短时间内便达到一定高度。结合这两种造腔图像分析,高注入流速条件下,卤水浓度低,造腔效率高,腔体形态规则,但是需要消耗较多能源和淡水资源。

3 造腔效率

表1给出了不同井间距的造腔方案各阶段腔体体积,并整理为图7所示的不同造腔累计时间后的腔体体积变化曲线。如果对各个造腔方案的曲线进行对比,可以看出10 m,双井间距无对接井的造腔方案中腔体体积增加速度明显低于另外3种方案。这是由造腔初期(0～6 h)采用两口井分别造腔的方法导致的,这也证明了单井造腔法的成腔效率远低于双井造腔。而对于不同的对接井间距,可以看出井间距越大的造腔方案中成腔速率越高。这是由于双井间距增大后,注入的淡水需要流经更长的水平段才能被另一口井排除。在这个过程中,低浓度卤水可以和盐岩腔壁更充分的接触,对腔壁的溶解更充分,使得成腔效率增加。在造腔初期(0～6 h),双井间距为10 m的造腔速率为683.33 cm3/h,双井间距为20 m的造腔速率为620.17 cm3/h,双井间距为30 m的造腔速率为494.17 cm3/h。在整体造腔过程中:双井间距为10 m的造腔速率为656.25 cm3/h,双井间距为20 m的造腔速率为577.58 cm3/h,双井间距为30 m的造腔速率为485.71 cm3/h。而对于不同的对接井间距,可以看出井间距越小的造腔方案中成腔速率越高。这是由于双井间距增大后,注入的淡水需要流经更长的水平段才能被另一口井排除。在这个过程中,低浓度卤水需要和盐岩腔壁更充分的接触,后期对腔壁的溶解不充分,使得成腔速度降低。在同一个造腔方案中,随着造腔时间的增加,成腔速率逐渐降低。这表明随着腔体体积的增加,注入的淡水从管柱流向腔体侧壁的过程中,将会与腔内卤水接触更长的时间。这使得造腔后期腔体侧壁的溶蚀速度降低,成腔速率变慢,使单位造腔成本增加。在双井造腔工程中,需要确定合适的预期腔体体积,以保持成腔速度并降低单位体积造腔成本。

表1 3种造腔方案各阶段腔体体积Table 1 Volume of the cavity in each stage of the three cavity creation schemes

图7 不同造腔时间下腔体体积变化曲线Fig.7 Cavity volume curves under different cavity making time

图8给出了不同注水流量下排卤浓度随时间变化曲线。在相同造腔流量条件下,腔体内所排出的卤水浓度都随着时间增加而升高,原因在于随着造腔时间进行,腔体内壁面积增大,与卤水接触面积增加,溶解的盐量增多,所以腔体内卤水浓度增加。该规律与工程监测数据也是相符的,在单直井造腔工程中,前期建槽过程的排卤浓度要低于后期造腔过程的。初始阶段,浓度随时间增加很快,曲线较陡,之后由于腔内卤水浓度较高,溶解速度变慢,所以浓度变化率降低,曲线变平缓(图8中5 mL/min曲线)。注水流量越小,腔体内浓度越高,所排出卤水浓度也越高,5 mL/min的浓度曲线最高,10、20、30 mL/min时的排卤浓度依次降低,30 mL/min情况下排卤浓度仅为5 mL/min的1/4。

图8 不同注水流量下排卤浓度随时间变化曲线Fig.8 Brine concentration curves under different water injection flow rates

图9为不同流量下累积产盐量随时间变化曲线。产盐量为排卤浓度与排出卤水体积的乘积。在试验中排卤速率是接近恒定的,则产盐量变化规律与排卤浓度相符也是逐渐升高的,表明造腔后期的产盐效率是更高的。同时,产盐量增加率逐渐变大,即斜率增大,表现为曲线出现向上的偏转,在20、30 mL/min情况下曲线偏转更加明显,原因在于流量越大排卤浓度变化量越大,排卤速率保持不变的同时累积产盐量增加率变大。值得注意的是,排卤浓度随着造腔流量的增加而变小(图9),但是累积产盐量的曲线出现不同,5、10、20 mL/min的累积产盐量随流量的增加而增加,30 mL/min曲线则在20 mL/min曲线之下,原因在于由于产盐量是排卤浓度与排卤体积的乘积,20 mL/min之前的卤水浓度相差较小,因此随着拍卤流量的升高,产盐量也变大;但是30 mL/min情况下卤水的浓度过低,即使与较大的排卤流量相乘也出现低于20 mL/min的情况。当然这种情况仅在实验室小尺度情况下会出现,在现场大尺度的造腔情况下,即使最大排量造腔,其排出的卤水浓度也不至于降得很低,而导致累积产盐量曲线变化。

图9 不同注水流量下累积产盐量随时间变化曲线Fig.9 Cumulative salt production curves under different water injection flow rates

4 造腔工艺优选

4.1 井底距离

双井间的距离是造腔工艺中的一个重要参数,它对造腔效率以及腔体形状都有极其重要的影响。双井间的距离直接影响腔内卤水浓度分布,最终决定溶腔效率和腔体形态,需要依据地质条件和造腔方案确定最优的双井间距。从腔体形态控制工艺角度来看,井距偏小可能导致井间对流及涡流,将影响腔体顶部油垫的控制[6]。当注水流量一定,如果井距较小(低于10 m),注入淡水后含盐量还没有达到饱和就排出腔体,溶漓效率和溶腔扩展速度就会受到严重影响;如果井距较大(超过30 m),饱和卤水不能及时排出,溶漓效率也会大大降低[15],且进水口会由于溶液浓度低而导致单边腔体溶漓快,进一步造成腔体不稳定甚至坍塌[16-18]。较大和较小的双井间距都不利于溶腔形态稳定[9]。

由以往的室内双井采卤模拟实验与盐矿对井开采声呐检测结果来看,井距较大时,两口井之间的通道水溶不发育,水平段盐腔的腔体形状控制成为难题[19]。此外,造腔井工艺也影响双井间距的选择。对于自然溶通法,两口井的井距不宜过大,如湖北云应小间距双井水溶造腔现场先导试验两井间距约为15 m。所以设定双井间距需要考虑腔体设计的最大直径。法国TA &TB储气库设计最大直径为90 m,双井间距为10 m。对于预制水平对接井的双井造腔法,制备小于10 m的水平对接井对于钻井工程存在着一定的难度。对于薄盐层,增大双井间距有利于拓展腔体的水平范围,形成更大的腔体体积。而对于某一实际双井造腔工程,需要根据实际地质条件和造腔参数完成物理模型试验和造腔模拟,并考虑腔体形态、造腔效率等因素确定合适的井间距[20-21]。

4.2 注水流量

注水流量是控制溶腔发展速度的另一重要参数[22]。注入流量的选择需要考虑三方面因素:满足建腔技术要求,保证腔体形态达到预设目标;需要使排出的卤水浓度接近满足盐化工企业最低需求,降低水耗;保证管柱内液体流动的最优工作状态,降低沿程摩阻保证低能耗[23]。从建腔角度考虑注入流量时,需要考虑盐的溶蚀速度(上溶溶蚀速度和侧溶溶蚀速度)、侧溶角、溶解压力、扩散系数、注水流态、流线分布、残渣带出率等参数。造腔的注水流量存在上限和下限,上限可以是设备的最优工作排量。当腔体容积增大到一定量时,应加大注水流量,单井注水排量不超过150 m3/h,双井不超过300 m3/h。

从卤水处理角度考虑,中国卤水需经过盐化工厂处理,一般要求卤水浓度高于290 g/L,这要求排出的卤水需要参与较长时间盐岩溶解,限制了注水流量。此外盐化工厂的卤水处理能力存在瓶颈,这限制了大排量造腔技术的现场应用。采用双井造腔工艺进行储气库建造,通常不需要造腔内管,而是采用两口井的造腔中间管进行对流造腔。这时,两口井中的造腔内管需要抽出,采用造腔中间管进行注水和排卤,中间管和生产套管中间填充保护液[24-25]。在中国盐穴储气库传统的单直井造腔工艺中,造腔内管通常选用直径为114.5 mm的套管,造腔中间管选用直径为177.8 mm的套管。对于小间距双井造腔可采用比单井更大尺寸的管柱,可采用直径为177.8 mm或273.1 mm的套管,卤水的处理排量可在100～250 m3/h。

5 结论

小间距双井溶腔技术更适用于中国盐层地质条件,但该方法的关键造腔参数还没有得到充分研究,还具有很大的发展前景。通过物理模型试验对双井间距、注水流量等技术参数进行了探究。得出如下结论。

(1)双井间距会直接影响腔体最终形态。井间距较小时,腔体水平方向长度小,没有较好的利用水平空间;井间距较大时,水平段的腔体溶解速度明显降低,且腔体形态不规则,预制水平腔可以大大缩短建槽期时间,提高造腔效率。

(2)注水流量会影响腔体两侧的平衡性。在低注水流量下,卤水浓度更高,水资源得到充分利用,但会导致注水端腔体顶面过高,影响腔体稳定性;而在高注入流速条件下,卤水浓度低,造腔效率高,腔体形态规则,但是需要消耗较多能源和淡水资源。

(3)双井间距和注水流量均是造腔工艺中的重要参数,对腔体形状和造腔效率都有重要影响。如果井间距较小或注水流量过大,注入淡水后含盐量还没有达到饱和就排出腔体,溶漓效率和溶腔扩展速度就会受到严重影响;如果井距较大或注水流量较小,饱和卤水难以及时排出,排卤效率会大大降低,且进水口会由于溶液浓度低而导致单边腔体溶漓快,进一步造成腔体不稳定甚至坍塌。就目前已有工程案例分析双井距一般设定为20 m,但最优双井间距离需要基于地质条件和其他造腔参数,通过造腔物模试验和数值模拟进行确定。