鹽穴儲氣庫造腔過程中堵管原因分析及措施

徐貴春，江永強

(江蘇油田石油工程技術(shù)研究院，江蘇 揚州 225009)

鹽穴儲氣庫是利用地下較厚的鹽層或鹽丘，通過水溶建腔方式形成人工洞穴儲存空間來存儲天然氣。金壇鹽穴儲氣庫建庫地質(zhì)較為復雜，為多夾層鹽巖，造腔過程中由于夾層中的泥沙、礫石顆粒及鉆井掃塞時殘留的水泥顆粒會沉淀、堆積于管柱底部。當正循環(huán)建槽結(jié)束后切換反循環(huán)時，上述顆粒會隨鹵水進入管內(nèi)，質(zhì)量小的顆?？捎甥u水攜帶排出，但較大的顆粒則會沉積在管柱內(nèi)而形成堵管。

文章針對顆粒堵管的現(xiàn)象，開展垂直井筒顆粒沉降規(guī)律分析，確定粒徑大小與鹵水排量關系，選擇能將進入管柱的顆粒攜帶出的最小鹵水排量，為后續(xù)儲氣庫建設中避免堵管提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 現(xiàn)場堵管情況

金壇鹽穴儲氣庫采用三管柱(生產(chǎn)套管、中間管和中心管)的單井油墊對流法造腔。正循環(huán)造腔時淡水通過中心管注入，溶解鹽巖，鹵水由中心管和中間管的環(huán)空排出；反循環(huán)時，淡水通過環(huán)空注入，鹵水由中心管排出。造腔過程中為避免塊狀鹽巖進入中心管造成堵管，采用篩管替代原先含有擋叉的筆尖，篩管孔眼直徑為20 mm，孔眼面積之和大于中心管截面積。多口造腔井堵管主要發(fā)生在正循環(huán)建槽期結(jié)束后切換反循環(huán)時，表現(xiàn)為注水壓力升高，鹵水排量不穩(wěn)定[1]。現(xiàn)場解堵作業(yè)時，發(fā)現(xiàn)篩管內(nèi)堵滿大粒徑顆粒，篩管以上數(shù)根管柱堵滿細碎顆粒，如圖1。

圖1 篩管及中心管內(nèi)顆粒堵塞圖Fig.1 The sample of the particles blocked in the sieve tubes and central tubes

分析認為顆粒在建槽期沉淀、堆積于篩管周邊，反循環(huán)時隨鹵水進入中心管，因粗細顆粒所需懸浮力不同，產(chǎn)生懸浮分級。當返出鹵水排量降低后，顆粒沉降，呈現(xiàn)顆粒粒徑上細下粗的現(xiàn)象。經(jīng)對不溶物顆粒的清洗、辨識，細碎顆粒主要為夾層礫石，篩管中的大粒徑顆粒為水泥塊，如圖2。

圖2 篩管內(nèi)殘留水泥塊圖Fig.2 The sample of the remains of the concrete in the sieve tubes

篩管孔眼阻止了大粒徑顆粒進入中心管，但進入管內(nèi)的顆粒受反循環(huán)時鹵水排量影響，未被完全攜帶至地面。下面通過分析顆粒在管柱內(nèi)的沉降規(guī)律，尋求通過提高反循環(huán)排量實現(xiàn)管柱解堵。

2 顆粒在垂直管柱內(nèi)的沉降規(guī)律

金壇鹽穴儲氣庫造腔井井斜小于1°，可視為垂直井筒。在反循環(huán)造腔排鹵過程中，如果鹵水以小于顆粒沉降速度向上運動時，顆粒將下沉；如果鹵水以大于顆粒沉降速度向上運動時，顆粒將上升；而當鹵水以等于顆粒沉降速度向上運動時，顆粒在一個水平上呈擺動狀態(tài)[2]，此時鹵水的速度稱為顆粒的懸浮速度。顆粒的懸浮速度和鹵水的流速是決定中心管堵塞與否的關鍵。

2.1 球形顆粒的懸浮速度

實際顆粒多為多角形，為研究方便，將其作為球形分析[3-5]。假設質(zhì)地均勻、光滑的球形顆粒的密度為ρs、直徑為ds，鹵水密度為ρl、粘度為μl，顆粒在鹵水中的沉降力為：

(1)

顆粒在鹵水中沉降所受阻力為：

(2)

式中：νs為顆粒沉降速度，CD為阻力系數(shù)。

處于懸浮狀態(tài)的顆粒所受沉降力等于阻力，由式(1)和式(2)可求得顆粒懸浮速度ν0：

(3)

但是，式(3)不能用于實際顆粒的懸浮速度計算，因為：

即CD為顆粒雷諾數(shù)Re的單值函數(shù)，用分區(qū)懸浮速度公式，可以求得用于實際計算的公式。

(1)層流區(qū)

將CD和Re數(shù)值代入(3)式，得：

(4)

式(4)還是無法應用，因為不能判定Re≤1，由

(5)

因為在層流區(qū)，Re≤1，代入式(5)，得：

(6)

因此，當粒徑范圍滿足式(6)時，顆粒懸浮所處流場為層流狀態(tài)，可用式(4)計算顆粒懸浮速度。

(2)過渡區(qū)

可求不等式：

(7)

此粒徑范圍內(nèi)的顆粒懸浮速度計算式為：

(8)

(3)紊流區(qū)

500

求得不等式：

(9)

對應粒徑的顆粒懸浮速度計算式為：

(10)

2.2 不規(guī)則顆粒的懸浮速度

以上討論了球形顆粒的懸浮速度，但由于實際顆粒形狀不規(guī)則、表面粗糙，在鹵水中的阻力系數(shù)比球形顆粒大，同等質(zhì)量的顆粒，球形顆粒懸浮速度最大。因此，要利用前面已求得的球形顆粒的懸浮速度計算公式，必須把不規(guī)則顆粒換算成當量球體。所以，在球形顆粒懸浮速度公式中引入形狀修正系數(shù)，球形顆粒的直徑用不規(guī)則顆粒的等效直徑來替代，即：

νs0=kν0

(11)

式中：νs0為不規(guī)則顆粒的懸浮速度，不規(guī)則顆粒的形狀修正系數(shù)k[7-8]如表1所示。

表1 不規(guī)則顆粒的形狀修正系數(shù)表Tab.1 Table of shape correction coefficient of irregular particles

2.3 鹵水攜帶顆粒的臨界流速

鹵水在中心管內(nèi)向上流動時，由于管壁粘滯阻力的作用，鹵水在徑向上存在速度的差異，且速度場還受流體流態(tài)的影響。層流時，鹵水的斷面流速呈拋物線分布，最大流速是平均流速的2倍；紊流時，斷面流速分布與Re有關，尚不能利用理論推導獲得。另外，由于顆粒的形狀的不規(guī)則性等因素的影響，實際顆粒在流體中的運動絕非簡單地沿著某固定位置垂直運動，其所在位置以及所居點處的流體真實速度隨機性很大，因此用純理論方法直接計算管內(nèi)鹵水攜帶顆粒的速度極為困難，甚至無法做到，只能借用實驗手段，利用統(tǒng)計分析和理論計算相結(jié)合的方法來確定不規(guī)則顆粒在鹵水中的沉降速度[8-10]：

(12)

3 鹵水排量的計算與選擇

根據(jù)作業(yè)時對堵管顆粒的類型及大小的辨識，造成中心管堵塞的主要原因是大塊水泥顆粒無法被鹵水攜帶至地面。因此，只要確保鹵水攜帶水泥顆粒的臨界速度大于水泥顆粒的懸浮速度就可避免堵管。

金壇鹽穴儲氣庫建槽期結(jié)束后從正循環(huán)倒反循環(huán)后鹵水平均密度ρl=1.20×103kg/m3，粘度μl=1.35 mPa·s，測得水泥結(jié)石顆粒密度ρs=1.50×103kg/m3，中心管內(nèi)截面A=7.935×10-3m2，形狀修正系數(shù)近似取0.75。根據(jù)粒徑范圍公式及懸浮速度公式，鹵水排量Q在20 m3/h～100 m3/h范圍內(nèi)，顆粒懸浮速度的流場為過渡區(qū)。計算顆粒在不同鹵水排量下處于懸浮狀態(tài)時的當量直徑如表2。

表2 不同鹵水排量下顆粒懸浮速度、當量直徑計算表Tab.2 Calculating table for the particle suspension velocity and the equivalent diameter in different brine displacements

因中心管底部篩管孔眼直徑為20 mm，能夠進入管內(nèi)的顆粒當量直徑≤20 mm。由表2可知，當鹵水排量達到60 m3/h時，即可將進入中心管內(nèi)的最大顆粒攜帶至地面，而鹵水排量<60 m3/h時，可能會發(fā)生堵管。

4 防堵管措施及效果

造腔井建槽期結(jié)束，調(diào)整至反循環(huán)時，可以先提高鹵水排量，使能經(jīng)篩孔進入中心管內(nèi)的顆粒被鹵水攜帶至地面后，再將鹵水排量調(diào)至規(guī)定值。金壇儲氣庫造腔過程造成堵管的主要原因是水泥大顆粒，結(jié)合文章的計算結(jié)果，反循環(huán)時鹵水排量達到60 m3/h時，經(jīng)20 mm篩孔進入中心管內(nèi)的顆粒將被攜帶至地面。另外，也可根據(jù)設計的反循環(huán)鹵水排量，計算該排量下最大可攜帶顆粒的當量直徑，以此來確定篩管孔眼尺寸及數(shù)量，這樣在能確保進入管柱內(nèi)的顆粒均能被鹵水攜帶至地面。

金壇鹽穴儲氣庫多口井在建槽期結(jié)束后，將鹵水排量調(diào)至35 m3/h進行反循環(huán)造腔，不久就發(fā)現(xiàn)有堵管現(xiàn)象。通過要求提高注入淡水的壓力和排量，將返出鹵水排量升至60 m3/h～70 m3/h之間，生產(chǎn)數(shù)日后，再將鹵水排量回調(diào)至35 m3/h，均能正常生產(chǎn)，未見堵管。通過實踐，說明提高鹵水排量可將篩管附近沉淀、堆積的顆粒攜帶出來。

5 結(jié)論與認識

1)造腔井堵管主要發(fā)生建槽期結(jié)束后，正反循環(huán)方式切換時，此時腔體小，腔底提升快，篩管周邊有顆粒堆積。

2)造成堵管的主要原因是顆粒進入管柱而未被鹵水帶出，造成沉淀，堵塞段顆粒粒徑表現(xiàn)為上細下粗，最下端為多角形水泥塊大顆粒。

3)使用不溶物顆粒粒徑范圍替代雷諾數(shù)判斷顆粒沉降所屬沉降區(qū)，計算顆粒懸浮速度，可使計算更簡單。

4)利用顆粒懸浮速度與鹵水平均流速的關系，可計算不同鹵水排量下最大攜帶顆粒粒徑，為解決鹽穴儲氣庫造腔過程中堵管問題提供理論參考。