鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)表征滲透率研究

王元?jiǎng)?薛雨 李心凱

(1. 中石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司合肥管理處， 合肥 230000；2. 中石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司廣東管理處， 廣州 510000)

鹽巖因其低滲透率、低孔隙度及損傷自愈性等特點(diǎn)，成為地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的首選巖體。金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的成功建設(shè)，標(biāo)志著我國(guó)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)技術(shù)的成熟。我國(guó)鹽巖具有單層厚度薄、含夾層較多以及建庫(kù)層段裂縫系統(tǒng)不確定等特點(diǎn)，層狀鹽巖層中儲(chǔ)庫(kù)的滲透性和安全性等問(wèn)題引起了廣泛重視，腔體的密封性是儲(chǔ)氣成功與否的決定性因素，因此對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的滲透率進(jìn)行計(jì)算尤為重要。

通過(guò)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)滲透性室內(nèi)試驗(yàn)，研究人員獲得了一定成果[1-5]。在循環(huán)及卸載壓力條件下，鹽巖中裂紋的產(chǎn)生情況表明，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)滲透性是夾層系統(tǒng)與裂縫系統(tǒng)共同作用的結(jié)果；在水溶造腔過(guò)程中，泥巖與鹽巖在高壓條件下交界面處易產(chǎn)生微裂紋，裂縫表面有可能形成新的滲流通道；夾層位置是鹽巖地下儲(chǔ)庫(kù)群最顯著的影響因素，泥巖、鹽巖夾層面的滲透率大于巖體本身，因而此位置所處區(qū)域是滲流最可能發(fā)生的區(qū)域。針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)注采運(yùn)行的滲透率以及泥巖夾層與鹽巖界面處的滲透率，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)模型在滲流特征、裂縫開裂擴(kuò)展特征、氣體滲透特征等方面進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)滲透率與體積應(yīng)變的關(guān)系可以用線性函數(shù)來(lái)近似描述[6-10]。

雖然目前關(guān)于鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)滲透率的試驗(yàn)方法已經(jīng)非常成熟，但是大部分僅限于室內(nèi)研究和模型推導(dǎo)，且研究目的單一，研究結(jié)果缺乏現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證支撐。在本次研究中，我們進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)水試壓試驗(yàn)，以整個(gè)鹽腔為研究單位，觀察鹽腔注水升壓后的壓力數(shù)據(jù)變化。在此基礎(chǔ)上，建立了考慮鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)注水凈溶的表征滲透率計(jì)算模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的滲透性進(jìn)行了定性分析。

1 計(jì)算模型

1.1 計(jì)算原理

在保證套管密封性良好的情況下，進(jìn)行鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)滲透性試驗(yàn)。目前，采用的滲透性試驗(yàn)介質(zhì)主要有氮?dú)?N2)和水(H2O)。在氣體密封試驗(yàn)中，需要投入大量的高精度檢測(cè)設(shè)備，操作流程較復(fù)雜，設(shè)備安全等級(jí)要求較高?，F(xiàn)場(chǎng)操作中需要進(jìn)行多方面協(xié)調(diào)，氣測(cè)滲透率的計(jì)算方法也較為復(fù)雜，需要處理大量數(shù)據(jù)[11-13]。相對(duì)于氮?dú)?，水在地層中的滲流規(guī)律能夠滿足達(dá)西公式，計(jì)算方法簡(jiǎn)單?，F(xiàn)場(chǎng)注水升壓作業(yè)簡(jiǎn)單，見(jiàn)效快，可將注水升壓數(shù)據(jù)用于儲(chǔ)氣庫(kù)滲透率的快速計(jì)算。滲透率測(cè)試過(guò)程的時(shí)間較短，而巖鹽蠕變、鹵水熱膨脹對(duì)腔體的影響需要經(jīng)過(guò)數(shù)年到數(shù)十年的較長(zhǎng)時(shí)間才能顯現(xiàn)出來(lái)，因此，對(duì)這些影響予以忽略。

通過(guò)注水升壓試驗(yàn)確定滲透率的原理是：當(dāng)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，在短時(shí)間內(nèi)注水時(shí)，由于水的壓縮性較小，腔體會(huì)處于彈性變形狀態(tài)；后續(xù)試驗(yàn)中，由于注入淡水溶鹽以及儲(chǔ)氣庫(kù)存在夾層、微裂縫等原因，腔體壓力下降，若能計(jì)算出腔體滲漏量，則可根據(jù)達(dá)西公式計(jì)算出腔體的滲透率。其計(jì)算步驟如下：(1) 注入淡水升壓后，由于靜溶及滲流作用的影響，腔體壓力降低，根據(jù)壓力變化計(jì)算出腔體的體積變化量；(2) 根據(jù)注水量，計(jì)算腔體溶鹽增加的體積；(3) 根據(jù)腔體的體積變化量及溶鹽體積，計(jì)算滲漏量；(4) 根據(jù)達(dá)西公式計(jì)算腔體的滲透率。

1.2 滲透率計(jì)算模型

計(jì)算注水升壓后腔體的總體積：

(1)

式中：V1—— 腔體總體積，cm3；

V0——腔體初始體積，cm3；

p0—— 升壓前壓力，MPa；

p1——升壓后壓力，MPa；

Kv—— 水的體積模量，取356MPa；

Vin—— 注水量，cm3。

計(jì)算降壓后腔體的體積變化量：

(2)

式中：p2—— 漏失后壓力，MPa;

ΔV—— 腔體體積變化量，cm3。

腔體體積變化受注水溶鹽與儲(chǔ)氣庫(kù)滲漏的相互作用。由于升壓前腔內(nèi)鹵水達(dá)到飽和，且注水量相對(duì)較小，假設(shè)注入水溶鹽在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)可達(dá)到飽和，則注入水溶鹽后腔體體積增量通過(guò)式(3)計(jì)算得出：

(3)

式中： ΔV′ —— 腔體體積增量，cm3；

s—— 氯化鈉(NaCl)溶液在60 ℃下的飽和溶解度，取36%；

ρs—— 固體氯化鈉密度，取2.16 gcm3；

ρ—— 注入水與氯化鈉混合后的溶液密度，1.235 gcm3。

在鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)水溶造腔過(guò)程中，由于夾層及微裂縫的存在，注入水發(fā)生一定程度的滲漏。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的滲漏量通過(guò)式(4)計(jì)算得出：

q=(ΔV-ΔV′)t

(4)

式中：q—— 腔體滲漏量，cm3s；

t—— 試驗(yàn)時(shí)間，s。

假設(shè)滲漏符合達(dá)西定律，沿腔體壁面均勻滲漏，則可根據(jù)球面流達(dá)西公式，計(jì)算鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的表征滲透率：

(5)

Re=Rw+1 000

(6)

式中：k—— 儲(chǔ)氣庫(kù)滲透率，10-3μm2；

μ—— 流體黏度，mPa·s；

Rw—— 腔體半徑，cm；

Re—— 升壓降壓過(guò)程中注水壓力波及到的半徑，cm。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)水溶造腔過(guò)程中，通過(guò)造腔管柱往鹽層中注入淡水溶解鹽巖，形成的飽和鹵水排出至地面，最終使地下形成洞穴。夾層與微裂縫的存在，使得鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)會(huì)發(fā)生滲漏。當(dāng)鹽腔達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，往鹽腔內(nèi)注水使腔體壓力升高，在靜溶及滲漏過(guò)程中壓力逐漸降低；繼續(xù)注水，使腔體壓力升高至設(shè)計(jì)值，并觀察壓力變化情況。多次重復(fù)以上過(guò)程后，鹽腔會(huì)重新達(dá)到平衡。此時(shí)，可根據(jù)壓力變化及注水量計(jì)算腔體的滲透率，選取3口鹽腔進(jìn)行注水試壓試驗(yàn)。下面為W1井、W2井、W3井2017年的現(xiàn)場(chǎng)注水試壓結(jié)果。

(1)W1井：腔體體積約171 602 m3；注水試壓過(guò)程中腔內(nèi)最高壓力設(shè)計(jì)值為16.400 MPa；當(dāng)腔內(nèi)壓力升至最高壓力設(shè)計(jì)值后，共進(jìn)行3次注水試壓試驗(yàn)。其中，最后一次注水2.800 m3，注水過(guò)程中壓力升高了0.014 MPa，升壓結(jié)束后21 h內(nèi)壓力下降了0.004 MPa。圖1所示為W1井注水試壓結(jié)果。

圖1 W1井注水試壓結(jié)果

(2)W2井：腔體體積為600 696 m3；注水試壓腔內(nèi)壓力設(shè)計(jì)值為20.900 MPa；注水使腔內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值后進(jìn)行3次升壓試壓。其中，最后一次注水1.286 m3，注水期間壓力升高 0.230 MPa，觀察41 h后壓力回落0.066 MPa。圖2所示為W2井注水試壓結(jié)果。

圖2 W2井注水試壓結(jié)果

(3)W3井：腔體體積為61 381 m3；注水試壓腔內(nèi)壓力設(shè)計(jì)值為19.500 MPa；注水使腔內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值后進(jìn)行3次升壓試壓，其中最后一次注水5.000 m3，注水期間壓力升高0.129 MPa，觀察48 h后壓力回落 0.051 MPa。圖3所示為W3井注水試壓結(jié)果。

圖3 W3井注水試壓結(jié)果

以上3口井最后一次注水試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 3口井最后一次注水試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 滲透率計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用上述模型計(jì)算不同鹽腔的滲透率。以W1井為例，由于每次升壓的注水量相對(duì)于腔體體積而言都比較小，因此，可忽略最后一次升壓前的腔體體積變化。

W1井最后一次注水升壓結(jié)束后的腔體體積為：

≈171 064(m3)

降壓過(guò)程中的腔體體積變化量為：

≈192 207(cm3)

淡水溶鹽后，溶解的氯化鈉與鹵水充分混合，腔體的體積增量為：

≈183 266(cm3)

腔體的滲漏量為：

q=(ΔV-ΔV′)h≈0.118(cm3s)

根據(jù)腔體體積計(jì)算出球面滲流界面的等效半徑為3 445 cm，鹵水的黏度取0.85 mPa·s，代入式(5)得到的滲透率為：

≈0.007×10-3(μm2)

同樣計(jì)算出，W2井的滲透率為0.050 ×10-3μm2，W3井的滲透率0.029 ×10-3μm2。

3口鹽腔井滲透率計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 3口鹽腔滲透率計(jì)算結(jié)果

通過(guò)分析數(shù)據(jù)可以看出，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)滲透率極低。其中，W1井的滲透率為0.007× 10-3μm2，W3井的滲透率為0.029×10-3μm2，而W2井的滲透率相對(duì)較高，但是也低至0.050× 10-3μm2。W2井的滲透率相對(duì)較高，其原因可能是井口微量泄漏等原因?qū)е滦孤┝吭黾?，造成表征滲透率計(jì)算值偏大。即便如此，模型計(jì)算得到的滲透率與其他學(xué)者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到的結(jié)果相差不大，這就驗(yàn)證了所建立模型的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)水溶造腔基本原理和滲流力學(xué)基本理論，以整個(gè)鹽腔為研究單元，考慮鹽腔靜溶的影響，推導(dǎo)出了鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)表征滲透率的計(jì)算方法?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中通過(guò)注水升壓的方法來(lái)計(jì)算滲透率，操作工藝較簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，可在鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)水溶造腔過(guò)程中隨時(shí)進(jìn)行，實(shí)用性較強(qiáng)。采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)滲透率極低，約0.007×10-3～0.050×10-3μm2。通過(guò)與其他學(xué)者的室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果相對(duì)比[14-17]，驗(yàn)證了所建立模型的準(zhǔn)確性。所建立的模型適用于鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)滲透率的快速計(jì)算，在判斷鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔層段存在微裂縫及夾層等條件下的滲透性時(shí)可予以參考。