王建夫，巴金红，王文权
1.中国石油储气库分公司，北京昌平100029
2.中国石油盐穴储气库技术研究中心，江苏镇江212000
金坛盐穴储气库2007 年投产运行，经过十几年的建设，已经具备了一定的储气能力，并在天然气调峰方面发挥了重要作用[1-4]。截至2019年底，形成库容约10×108m3，工作气约6×108m3。2020年初，受到新冠疫情影响，天然气市场需求降低[5]，为了保证天然气平稳生产和进口气合同履行，金坛盐穴储气库注气强度增大。截至2020年6月底，储气库的当前工作气量达到了约6×108m3，实际库容已经接近饱和状态，充分发挥了储气库削谷填峰的作用。
但是，金坛盐穴储气库建设速度有待加快，而对库容工作气影响最大的就是盐腔有效体积。金坛储气库年造腔量约80×104m3，截至2019年，累计形成盐腔有效体积约700×104m3，平均年增有效体积59×104m3，如图1所示。相比于国外盐丘型储气库1～2年可完成约（30～70）×104m3单腔有效体积的建设速度[6-7]，金坛盐穴储气库建设速度较慢。除了注水排量低导致水溶造腔速度慢，单腔有效体积较小也降低了库容工作气形成速度。金坛盐穴储气库单腔设计有效体积25×104m3，而实际平均单腔有效体积约23×104m3，是设计值的92%。盐腔有效体积影响因素较多，而层状盐岩复杂地质条件或造腔工程失误导致的腔体畸形、偏溶和底坑形状不规则是其中重要一点。以往许多学者对此进行过研究，但以往研究主要集中在腔体畸形、偏溶的形成原因上，对其如何影响腔体体积的研究较少[8-15]。本文结合金坛盐穴储气库实际盐腔情况，分析了腔体畸形、偏溶和底坑形状对盐腔有效体积的影响规律，并根据形成原因提出了相应解决措施。研究成果可为加快盐穴储气库建设提供借鉴。
图1 金坛盐穴储气库累计盐腔有效体积Fig.1 Accumulative effectivesalt cavern volume of Jintan salt caverngasstorage
金坛盐穴储气库属于盐穴型储气库，采用水溶采矿的方式建造，盐腔体积和形状受地质条件影响较大，造腔过程中容易出现畸形、偏溶等情况[16-19]。经过研究，金坛盐穴储气库盐腔形状可分为3类，正常、腔壁畸形和偏溶，如图2 所示。大多数盐腔属于正常腔体，占腔体总数的70%，畸形、偏溶腔体较少，约占总腔体数的30%。畸形、偏溶对盐腔有效体积影响可通过畸形系数和盐层利用率进行分析。
图2 正常、畸形、偏溶腔体示意图Fig.2 Schematic diagramof normal,abnormal and partial leached cavern
畸形系数定义为表示盐腔畸形程度的一个参数[8]，畸形系数越大，畸形程度越大，如式（1）
盐层利用率Ø定义为每米盐层的有效造腔体积，等于盐腔有效体积V与可造腔盐层段厚度h的比值
经过统计，金坛盐穴储气库盐腔畸形系数与盐层利用率如表1所示。正常腔体平均畸形系数为6.5×10−3，偏溶畸形系数为25.0×10−3，畸形腔体畸形系数为53.1×10−3，畸形程度不断增大。而腔体畸形系数越大，盐层利用率越低，正常、偏溶、畸形盐腔盐层利用率依次为1746.2、1632.4和1344.2m3/m。即当盐层厚度与不溶物含量等其他条件相同时，畸形腔体体积将小于正常腔体，畸形严重影响了盐腔体积。主要原因有以下3 个：（1）腔壁畸形直接影响腔体体积。（2）偏溶影响邻井矿柱宽度，使腔体直径受限，进而影响腔体体积。（3）腔体底坑畸形也会对腔体储气体积产生较大影响。以下从腔体畸形、偏溶及矿柱比、底坑形状这3个方面分析其对盐腔有效体积的影响，并针对畸形形成原因提出了相应解决措施。
表1 金坛盐穴储气库盐腔形态统计表Tab.1 Proportionof different shape in Jintan salt caverngas storage
2.1 腔体畸形
腔体畸形指的是盐腔壁面参差不齐，凹凸不平，或者腔体横截面呈椭圆形，长短轴比值较大。主要由地质因素引起，工程因素影响较少。腔体畸形会导致盐腔周围盐层利用率降低，影响腔体体积。以下分析了畸形盐腔有效体积低的主要原因。
假设某一深度处的盐腔微元体k横截面积Sk，微元体高度∆Hk，则该微元体的体积为Sk∆Hk，将盐腔深度范围内的所有微元体体积求和即为盐腔总有效体积V，则计算公式为
假设盐腔微元体k的横截面为椭圆形，长轴长度Dk1，短轴长度Dk2，则该微元体横截面积计算公式为
如图3a 所示，畸形盐腔C1腔体横截面呈椭圆形，当盐腔某一深度最大直径达到设计直径时，该深度盐腔不可再溶蚀，此时Dk1等于设计直径，Dk2远小于设计直径，横截面积为Sk。规则盐腔C2腔体横截面为圆形或接近圆形，某一深度处的Dk1、Dk2均约等于设计直径，横截面积为。显然，畸形盐腔横截面积Sk远小于规则盐腔横截面积S′k，所以畸形盐腔腔体体积偏小。
图3 腔体体积畸形影响示意图Fig.3 Diagram of effect on cavernvolume by abnormal shape
如图3b所示，横截面为圆形的盐腔。当畸形盐腔上部H1深度处腔体直径D1达到设计直径，而盐腔下部H2深度腔体直径D2远小于设计直径时，由于上部腔体直径已经达到设计值，不能对下部盐腔进行继续溶蚀。而规则盐腔上下各深度腔体直径比较一致，所以畸形盐腔下部体积较小，导致总体积低。
如图4a 所示，JT1 井盐腔严重畸形，腔壁形状参差不齐，畸形系数高达90.1×10−3。腔体横截面呈现椭圆形，如图4b 所示。该井南北方向溶蚀直径远大于东西方向，腔体明显为椭圆形。在深度1 074 m，南北方向最大直径80.0 m，东西方向最小直径17.4 m，长轴与短轴比值高达4.6。该井造腔盐层厚度201 m，盐腔有效体积21.5×104m3，受到畸形影响，盐层利用率仅为1 084 m3/m，远低于金坛盐穴储气库平均值1 668 m3/m。
图4 JT1 腔体形态图Fig.4 JT1 cavern shape
图5 为JT1 腔体直径、横截面积、有效体积随深度的变化关系。图5a 显示，腔体东西直径与南北直径差别较大，长短轴比值平均为2.6。在深度1 074 m，腔体最大直径为80.0 m，而最小直径仅为17.4 m，长短轴比值为4.6。图5b、图5c 显示，此处横截面积和盐腔有效体积分别为1 094 m2和2 188.0 m3，而与最大直径相当的圆形面积和体积分别可达4 948 m2和9 897.0 m3，腔体体积减少了22%。表明腔体椭圆形畸变严重降低了腔体体积，如图3a 所示。
图5 JT1 腔体直径、横截面积、体积曲线图Fig.5 Diameter,cross section and volume of JT1 cavern
不同深度腔体直径和体积变化较大，如图5a所示，在1 064 m，腔体溶蚀极不充分，存在突出岩脊，此处平均直径较小，仅为24.6 m。而在1 074 m，腔体溶蚀过大，腔体平均直径为37.4 m。图5b、图5c显示，1 064 m 横截面积和体积分别为478 m2和955.6 m3，而1 074 m 横截面积和体积分别为1 094 m2和2 188.0 m3，前者体积仅为后者的43.6%。这表明腔体畸形导致不同深度处盐腔直径和体积差别较大，直径较小处的腔体体积严重降低，如图3b 所示。
经过以上分析可以发现，畸形腔体有效体积小的主要原因是腔体某一深度或某一方向直径限制，导致腔体局部欠溶蚀，盐层利用率低。如果采用某些措施对畸形进行预防或修复可显著提高腔体体积。畸形的主要影响因素是地质因素，主要是较厚（>2 m）的泥岩、硬石膏等不溶物夹层不均匀垮塌引起的[25]。而次要因素是工程因素，主要包括管柱脱落、油垫控制不佳及造腔管柱配置失误等[8，13-14]，例如，金坛曾出现过因管柱脱落导致腔体出现“葫芦状”畸形的现象。由于地质因素是客观存在的，很难通过人为措施完全消除其影响。根据经验，对于含矿率低于70%的盐矿，盐腔畸形概率较大，造腔过程中可适当降低注水排量或采用正循环进行预防[10]。对于已经出现畸形的盐腔，造腔结束后，可采用天然气阻溶回溶造腔技术对畸形部位进行扩容修复[16-18]。而工程因素是人为产生的，可以通过加强造腔过程中注水排量、排卤浓度、油垫位置及注油量等参数的监控来解决[26]，也可以采用先进的数值模拟软件优化造腔管柱配置。
2.2 偏溶及矿柱比
金坛盐穴储气库为单井单腔型，为了保证腔体间矿柱的稳定性，不发生垮塌，邻腔间需要保留一定宽度的矿柱[20-21]。一般用矿柱比表征安全矿柱宽度，矿柱比定义为邻腔间最小矿柱宽度与两个腔体直径一半的比值。金坛盐穴储气库设计安全矿柱比参考国外盐穴储气库，建设初期腔体直径按照不小于2.5 设计，后期有所降低，介于2.3～2.4[22-23]。而一旦腔体发生偏溶，矿柱宽度可能降低，矿柱比将不满足安全值，需要降低腔体直径来满足安全矿柱比的要求，这就导致腔体体积减小。
经过统计，金坛注采气井中约有9 口发生偏溶，对偏溶井及最近邻井之间的矿柱比统计结果如表2所示。统计的所有井均满足安全矿柱比要求，但是由于偏溶导致相邻腔体间矿柱宽度降低，其中，12 口井不得不降低腔体直径和牺牲腔体体积来满足安全矿柱要求。例如，偏溶井及最近邻井的平均最大直径约72.0 m，低于设计直径80.0 m，腔体体积有一定损失。
表2 金坛偏溶腔体矿柱比统计表Tab.2 Pillar/diameter of Jintan partial leached caverns
其中，影响较大的为F 井和G 井，F 井腔体直径仅为66.0 m，盐腔有效体积为19×104m3，盐层利用率为1 385 m3/m。在深度1 130 m 处，两腔体间最小矿柱宽度为175.7 m，如图6a 所示。F 井位于G 井的西北方，两口井均向北偏溶，如图6b所示。受到偏溶的影响，两腔体矿柱比较小，为2.49，F 腔体直径需要降低，所以实际直径比设计值80.0 m缩小了14.0 m，导致了该井腔体体积较小。而腔体直径按照80.0 m 设计可达33×104m3，相比缩小了14×104m3。腔体偏溶限制了腔体直径，严重降低了腔体体积。
图6 偏溶对矿柱宽度的影响Fig.6 Effect on pillar by partial leaching
不溶物夹层及地层倾角相互作用对腔体偏溶起决定性作用。根据溶蚀特点，盐层沿着地层上倾溶蚀速度快，该方向不溶物夹层悬空后受力不均发生垮塌，最终导致腔体沿地层上倾方向偏溶。例如，金坛偏溶腔体多发生在地层倾角在3.5◦～10.0◦的局部地区，且多为南北向偏溶，河南五里铺盐矿地层倾角约15.0◦，腔体偏溶非常明显。腔体偏溶主要是地质条件决定的，很难进行人为修正，但可在造腔前进行预测并采取相应措施来保证腔体体积。例如：（1）根据地层倾角及倾向预测新井偏溶方向，尤其是倾角较大的地层，钻井前对井位进行合理设计。（2）采用稳定性评价，重新设计矿柱比，通过降低矿柱比P/D（最低2.0）来增加腔体直径[22]。（3）通过倾斜造腔管柱对腔体偏溶进行纠正等。
2.3 底坑形状
金坛盐穴储气库不溶物含量高，造腔过程中由于不溶物堆积，腔底呈现出不同的底坑形状[24]，通常呈4 类，分别为“V”形、“一”形、“”形和“A”形，如图7 所示。
图7 不同底坑形状Fig.7 Different cavern bottom shape
腔体发展正常情况下，底坑一般呈现“V”形或“一”形，当腔体畸形或偏溶，则容易出现“”形或“A”形。底坑形状主要影响盐腔储气体积，可用注气排卤效率来衡量。注气排卤效率定义为盐腔储气空间体积与盐腔总有效体积的比值。注气排卤效率越高，盐腔空间利用率越大，腔内剩余卤水越少，储存的天然气越多。经过统计，金坛盐穴储气库已投产井平均注气排卤效率为94.0%，即剩余卤水体积占总有效体积的6%，单腔约1.3×104m3。
对金坛盐穴储气库已经投产井进行统计分析，发现4 种底坑形状的注气排卤效率依次降低，如表3所示。规则盐腔底坑形状呈“V”形或“一”形，占比较高，约70%。此类底坑形状有利于注气排卤，注气排卤效率最高，注气排卤后期只有极少量卤水残留在腔底。其中，“V”形底坑的盐腔平均剩余卤水约2 223 m3，注气排卤效率高达98.7%。而不规则底坑呈“”形、“A”形，占比约30%。此类底坑注气排卤效率较低。其中，“A”形底坑的盐腔平均剩余卤水约26 379 m3，注气排卤效率最低为86.0%。
表3 不同底坑形状的盐腔注气排卤效率Tab.3 Debrining efficiency of cavern with different bottom shape
图8 为不同的底坑形状腔体体积随深度变化曲线，图中虚线为注气排卤结束时气水界面深度，该深度距离腔底最低点越远，腔内剩余卤水越多，注气排卤效率越低。一般气水界面距离井轴正下方底坑2～3 m，假设该值为3 m。可以看出，“V”形、“一”形底坑，由于注气排卤管柱可以下入腔底最低点，气水界面距离腔底最低点最近，导致气水界面之下剩余卤水体积很少，所以注气排卤效率最高。而由于偏溶或造腔控制不佳，腔底形状出现“”形、“A”形，排卤管柱不能下入盐腔最低位置，气水界面距离腔底最低点较远，注气排卤结束后，气水界面之下滞留大量卤水，所以注气排卤效率较低。
图8 不同底坑形状剩余卤水体积Fig.8 Residue brine of cavern with four kinds of bottom shape
正常造腔情况下，不会出现畸形底坑，绝大多数不规则底坑是腔体畸形或偏溶导致的。例如，“”形底坑主要是腔体沿着某一方向偏溶，该侧不溶物释放量增大，导致底坑堆积高于另一侧形成的。而“A”形底坑主要是腔体某一深度处直径缩小，上部不溶物下落范围受限，只能堆积于腔底中心位置导致的。畸形底坑目前尚无有效控制手段，也无成功的新技术应用案例。在未来可行的方法有：（1）在“A”形不溶物底坑顶部利用钻孔工具钻进一定深度，然后下入排卤管柱排出剩余卤水。（2）采用可弯曲管柱或连续油管技术将管柱下入腔底最低部位进行注气排卤。（3）钻新井至盐腔最低部位或不溶物堆积物之下，作为注气排卤井排空腔内卤水甚至不溶物孔隙中的卤水。
（1）金坛盐穴储气库畸形、偏溶腔体约占总数的30%，畸形系数在（11.8～90.1）×10−3。畸形系数越大盐层利用率越低。而腔体体积降低主要是受腔体畸形、偏溶及矿柱比影响，储气体积受底坑形状影响较大。
（2）腔体畸形会严重损失盐层，降低腔体体积。主要有两种原因，一是腔体横截面为椭圆形，二是不同深度的腔体直径差别较大。这导致盐腔周围盐层利用率较低，腔体体积降低。可通过降低注水排量、采用正循环预防，或采用天然气阻溶回溶进行修复扩容。
（3）腔体偏溶会导致井间矿柱宽度过低，为满足安全矿柱比要求，腔体直径受限。金坛偏溶井可降低腔体体积约19%，盐腔体积严重降低。可通过偏溶方向预测合理安排井位、降低矿柱比增加直径、采用纠偏工具进行偏溶纠正。
（4）底坑畸形使排卤管柱不能下入盐腔最低点，从而影响储气体积。金坛盐腔底坑可分为4 种，分别为“V”形、“一”形、形、“A”形，其注气排卤效率依次降低，平均注气排卤效率为94%，单腔剩余卤水约1.3×104m3。目前尚无有效手段进行控制或提高注气排卤效率。
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