鹽穴儲氣庫無墊底氣技術探討

楊海軍 周冬林 杜玉潔 姜海濤 于青青 張凱峰

1. 中國石油天然氣股份有限公司鹽穴儲氣庫技術研究中心；2. 華北石油管理局有限公司江蘇儲氣庫分公司

自金壇儲氣庫建成以來，國內已經(jīng)形成了較為成熟的鹽穴儲氣庫建設和運行管理配套技術［1］。雖然國內儲氣庫建設取得很大進步，但建設成本高、工作氣量低仍是中國儲氣庫建設面臨的難題［2］。其中，墊底氣是造成儲氣庫工作氣量低的重要原因之一。為保持鹽腔穩(wěn)定、防止腔體收縮坍塌，必須保留一部分天然氣作為鹽穴墊底氣。在鹽穴長期運行過程中，墊底氣始終不能被采出利用而實際上成為 “死氣”，而且鹽穴儲氣庫墊底氣量較大，平均占總庫容的比例約為45%左右，是儲氣庫經(jīng)濟評價中的高敏感性因素，顯著高于地面投資和經(jīng)營成本的敏感性［3］，以一個總庫容20×108m3的儲氣庫為例，其地下總墊底氣量就達9×108m3，按照天然氣門站價格約2 元/ m3計算，項目初期投入沉沒資金多達18 億元，導致項目盈利能力指標偏低，影響和制約我國地下儲氣庫的發(fā)展［4］。

為減少儲氣庫墊底氣量，同時保障鹽穴儲氣庫安全運行，一直以來研究的方向都是不斷探索腔體的承壓能力，降低儲氣庫的運行壓力下限能夠增加儲氣庫工作氣量［5］，采用水平井鉆井、大井眼、巖石酸化處理技術以提高最大儲氣壓力，可以提高儲氣庫的儲量［6］，采用CO2作為墊底氣能夠有效增加庫容，但需要關注其與天然氣的混合問題［7］。上述方法都無法從本質上解決墊底氣帶來的鹽穴腔體體積利用率低、墊底氣投資成本高等問題。基于鹽穴儲氣庫建設和注氣排鹵技術實踐經(jīng)驗，提出鹽穴儲氣庫無墊底氣技術。該技術是以飽和鹵水和天然氣共同發(fā)揮墊底作用，可以大幅度提高天然氣采出程度，理論上可將鹽穴儲氣庫庫容全部轉換為工作氣，該技術既可以實現(xiàn)鹽穴零墊底氣，又能夠始終保持鹽穴內部較高的運行壓力，不僅可以降低工程投資，提高鹽穴的利用效率，也能夠使在2 000 m 以下建設鹽穴儲氣庫成為現(xiàn)實。雖然該技術尚未付諸實踐，但針對該技術進行技術探討以期實現(xiàn)現(xiàn)場應用，必將對鹽穴儲氣庫建設產(chǎn)生巨大影響。

1 無墊底氣技術方案

無墊底氣技術是一種可以將鹽穴儲氣庫全部庫容轉化為工作氣的儲氣庫注采運行技術，即對鹽穴注氣時用天然氣置換出腔體內部的鹵水，當采氣時用鹵水置換出腔體內部的天然氣，鹽穴儲氣庫運行過程中無墊底氣，腔內所有天然氣均為工作氣。目前國內外儲氣庫墊底介質主要是天然氣，即始終利用天然氣維持腔內壓力。實際上鹵水也可以作為墊底介質，在鹽腔造腔過程中，腔內的鹵水就已經(jīng)承壓，保證了腔體在造腔過程中的穩(wěn)定，同樣發(fā)揮了墊底氣的作用，直到在造腔結束后通過注氣排鹵的方式將鹵水排出。無墊底氣技術改變了常規(guī)技術下單一利用天然氣作為墊底氣介質的方法，而是循環(huán)利用天然氣和鹵水作為腔體墊底介質。

無墊底氣技術是在采氣的同時向腔內注入飽和鹵水，注入過程中鹵水和天然氣共同發(fā)揮墊底作用，維持腔內壓力。隨著采氣量的不斷加大，腔內天然氣量逐漸減少，鹵水不斷增多，直到采出全部天然氣為止。注氣運行時，等同于常規(guī)技術的首次注氣排鹵工程，注氣時排出腔內鹵水，隨著注氣量的增加腔內氣體不斷增多鹵水不斷減少，直到排鹵結束，腔體壓力達到最高運行壓力為止。無墊底氣技術循環(huán)上述注氣采鹵和采氣注鹵兩個流程，運行過程中天然氣和鹵水輪流驅替彼此。

1.1 注采完井工程

在造腔工程結束后，生產(chǎn)井需要采用兩套獨立的管柱完井，一個作為天然氣注采管，承擔天然氣注采功能，管柱通過井口連接注采氣地面管線和裝置，管柱下入深度應達到腔頂?shù)奈恢?，另一個作為鹵水注采管，起到注采鹵水的作用，管柱通過井口與地面鹵水注采管線和裝置連接，管柱下入腔體底部，滿足最大限度采出鹵水的要求。

根據(jù)兩套管柱的設置方式，可以分為單井雙管法和雙井法兩種。單井雙管法是指天然氣注采管和鹵水注采管位于同一個井眼內。采用單井雙管法時，需要單井的直徑較大，否則受井眼限制注采管管徑較小，影響天然氣和鹵水的注采速率。以?244.5 mm生產(chǎn)套管為例，井筒內并列天然氣和鹵水兩套注采管，可以下入?73 mm 天然氣注采管和?88.9 mm 鹵水注采管，見圖1a。由于兩套管柱均處于高壓天然氣環(huán)境，因此均需采用氣密管柱，并安裝井下安全閥和封隔器等裝置。雙井法是指兩口井分別作為天然氣注采井和鹵水注采井，以?244.5 mm 套管為例，井筒內可以部署?177.8 mm 天然氣注采管和?177.8 mm鹵水注采管，均采用氣密管柱并安裝井下安全閥和封隔器等裝置，見圖1b。兩口井的距離根據(jù)腔體實際情況而定，單腔注采運行時兩井距離以10～15 m為宜，對流井采鹵老腔利用時，對流井可以分別改造為天然氣注采井和鹵水注采井。井位部署只需滿足注氣采鹵時能夠最大限度排出鹵水即可。因此，無論單井注采還是雙井注采，均能實現(xiàn)無墊底氣注采完井，顯然采用雙井法時注采管尺寸更大，能夠獲得更高的注入和采出速度，可以更有效地發(fā)揮鹽穴儲氣庫注采速度快的優(yōu)勢。

圖1 鹽穴儲氣庫無墊底氣技術注采完井方式Fig. 1 Injection/production well completion mode of the no cushion gas technology

1.2 運行方式

注氣采鹵運行過程中，類似于常規(guī)技術的注氣排鹵工程。通過注采氣井或者環(huán)空(雙管)向腔內注入天然氣，通過鹵水井或中心管從腔內采出鹵水，排出的鹵水經(jīng)過管線泵送至鹵水收集區(qū)，直至排出全部鹵水，然后繼續(xù)注氣，把腔體壓力增加到腔體上限運行壓力。

采氣注鹵運行過程中，通過注采氣井或者環(huán)空(雙管)采出天然氣，通過鹵水井或中心管向腔內補充鹵水，保持腔內壓力不低于腔體運行所需的最低壓力，直至采出全部天然氣，最后把腔體壓力升高到腔體的上限壓力。

無墊底氣運行不斷重復上述兩個流程，實現(xiàn)鹽穴內天然氣全部采出。

在注氣采鹵末期，必須避免超排，防止氣液界面低于排鹵管柱的井底喇叭口，造成天然氣進入排鹵柱出現(xiàn)井噴。在采氣注鹵末期，應在腔頂保留部分氣體，防止鹵水進入采氣井井筒內造成套管腐蝕。因此注氣采鹵和采氣注鹵過程中，必須始終監(jiān)測氣液界面深度位置。現(xiàn)有成熟的光纖界面監(jiān)測技術測量深度大、操作簡單、可實時連續(xù)監(jiān)測［8］，能有效解決界面監(jiān)測問題。

1.3 地面配套設備

無墊底氣運行時，天然氣地面配套設備與常規(guī)技術情況下相同，不同在于鹵水是循環(huán)利用的，在采氣時需將鹵水注入腔內，注氣時將鹵水從腔內排出。注入的鹵水可以來自鹽化公司儲罐、鹽礦企業(yè)采鹵老腔或者儲氣庫的造腔井，在采氣過程中，利用泵站將鹵水注入腔內。注氣過程中，利用壓縮機向腔內注入天然氣，利用采鹵井將鹵水從腔內采出，地面可以通過多種方式處理存放，一是可以將鹵水輸送給鹽化公司的生產(chǎn)區(qū)或地面鹽池，二是可以注入地下高孔隙巖層當中，見圖2。

圖2 鹽穴儲氣庫注氣采鹵和采氣注鹵運行示意圖Fig. 2 Sketch of gas injection & brine discharge and gas production & brine injection

2 無墊底氣技術主要優(yōu)勢

2.1 可以實現(xiàn)腔體利用效率最大化

常規(guī)運行條件下，在首次注氣排鹵工程結束后，腔體充滿天然氣進入投產(chǎn)運行狀態(tài)。采氣過程中，隨著天然氣的采出，腔內壓力不斷下降。隨著天然氣的持續(xù)采出，使得腔內壓力持續(xù)下降至運行壓力下限時必須停止采氣，此時累計采出的天然氣量即為腔體的工作氣量，腔內剩余氣量即為墊底氣，約占庫容的45%。注氣過程中，隨著天然氣不斷注入，腔內壓力不斷上升，直至最高運行壓力時停止注氣。

常規(guī)技術條件下，在腔體整個運行生命周期中，腔體不斷重復上述注氣和采氣流程，單個注氣和采氣流程內實際天然氣一次吞吐量僅為庫容量的55%，一個注采周期內，腔內天然氣量與庫容之比在45%至100%之間不斷變化，儲氣庫利用效率較低。

無墊底氣運行技術是在注采天然氣的同時同步注采鹵水。采氣過程中，同步注入鹵水維持腔內壓力以發(fā)揮墊底作用，當累計注入鹵水量等于腔體有效體積時腔體充滿鹵水，腔內天然氣被全部采出，實現(xiàn)了工作氣量最大化。注氣過程中，同步采出腔內鹵水，等同于常規(guī)技術條件下的首次注氣排鹵工程。無墊底氣運行技術下，腔體不斷重復采氣注鹵和注氣排鹵兩個流程，單個流程腔體天然氣吞吐量為庫容量的100%。一個注采運行周期內，腔內天然氣量與庫容之比在0%至100%之間變化，大幅度提高了鹽穴儲氣庫的利用效率。

2.2 可以降低儲氣庫工程建設成本

儲氣庫工程經(jīng)濟評價的一個重要指標是單方工作氣成本，即儲氣庫建設工程每形成1 m3工作氣需要投入的資金，其值為工程建設投資與儲氣庫工作氣量之比，這一比值越小則反映工程建設效益越好。

儲氣庫建設工程的服役壽命一般大于30 a，由于墊底氣在長期運行過程中無法采出，因此必須列入工程建設成本，墊底氣費用與地下工程費用、地面工程費用和其他費用4 個部分共同組成鹽穴儲氣庫建設工程的投資，其中墊底氣費用與墊底氣量和天然氣門站價格有關，墊底氣量越大，墊底氣費用越高。

根據(jù)金壇、平頂山、淮安等鹽穴儲氣庫建設和前期評價結果，墊底氣費用在工程項目總投資當中的占比高達35%～40%左右，這部分巨額資金必須在儲氣庫投產(chǎn)之初就全部一次性投入，常規(guī)運行條件下，整個儲氣庫生命周期內均無法動用，巨額資金沉睡地下無法產(chǎn)生效益，對儲氣庫工程項目經(jīng)濟評價造成很大影響。

無墊底氣技術條件下，墊底氣不復存在，相對于常規(guī)運行方式下，工程建設投資免去了墊底氣費用，墊底氣全部轉換為工作氣，大幅度提高了儲氣庫的工作氣量，此消彼長之下，無墊底氣運行可以使單方工作氣成本較常規(guī)技術條件下大幅度降低。

2.3 可以降低鹽穴儲氣庫建設地質門檻

鹽穴儲氣庫建設對鹽礦地質條件有一定要求，具體對鹽層的構造位置、埋藏深度、鹽層厚度和品位都有一定的門檻。常規(guī)技術條件下，一般認為埋藏深度不宜大于2 000 m，鹽層厚度不宜小于120 m，鹽巖不溶物含量不宜高于30%。

我國鹽礦多在層狀鹽巖地層中產(chǎn)出，整體具有鹽層單層厚度小、不溶物含量高、埋藏深度變化大的特點。在這一大背景下，常規(guī)技術要求的鹽穴儲氣庫建庫地質門檻近乎苛刻，進一步加快鹽穴儲氣庫建設速度、利用復雜鹽層條件建設鹽穴儲氣庫是我國必須面臨的現(xiàn)實問題。

無墊底氣技術實現(xiàn)了腔體利用效率最大化，在滿足同樣儲氣能力的條件下僅需要較小的腔體體積就可以實現(xiàn)，對腔體的體積要求僅為常規(guī)條件下的60%左右。在厚度薄、不溶物含量高的鹽層中，建成體積更小的腔體即可發(fā)揮常規(guī)運行條件下大體積腔體同等的儲氣能力，因此對建庫區(qū)塊的鹽層厚度、不溶物含量、埋藏深度等參數(shù)門檻均可以放寬，可以實現(xiàn)在更薄鹽層、更高不溶物含量、更深鹽層中建設儲氣庫，增強我國層狀鹽巖地層儲氣庫建設的適用性，同時建腔體積小有利于縮短造腔時間，有效加快鹽穴儲氣庫建設速度。

2.4 有利于腔體穩(wěn)定運行

鹽穴儲氣庫運行過程中，周期注采造腔腔內壓力在最高運行壓力和最低運行壓力直接交替變化。鹽腔內壓對儲氣庫體積收縮率影響很大，溶腔收縮率隨著內壓增大而減小［9］，儲氣庫運行不宜長期低壓運行［10］。常規(guī)運行條件下腔體的最低運行壓力是根據(jù)腔體所處的應力環(huán)境以及腔體本身的結構力學性質，按照一定的運行方式經(jīng)過數(shù)值模擬計算得到的，金壇鹽穴儲氣庫最小運行壓力梯度為0.007 MPa/m［11］。

相對于常規(guī)運行，無墊底氣運行下腔內壓力不低于飽和鹵水形成的靜壓，其壓力梯度始終不低于0.012 MPa/m(取飽和鹵水密度1.26 g/cm3)，顯著大于常規(guī)運行時腔體下限壓力梯度，腔體平均內壓始終保持相對較高水平，更有利于腔體保持穩(wěn)定。

3 案例

3.1 淮安鹽礦薄鹽層建庫

淮安鹽礦鹽層含鹽地層頂面埋深1 000～2 500 m，構造形態(tài)比較簡單，整體上表現(xiàn)為一個向東南傾沒的單斜形態(tài)。含鹽地層厚度37.5～169.5 m，平均厚度123.9 m，其中鹽層累計厚度29.1～124.1 m，平均厚度91.3 m，鹽層厚度較薄。地層巖性由鹽巖、含鹽泥巖、泥巖、鈣芒硝、無水芒硝組成，NaCl 含量一般為66.0%～79.2%，水不溶物含量為20.7%～34%，不溶物含量較高。

兩種不同技術條件下建庫主要參數(shù)對比如表1所示。

常規(guī)技術條件下，造腔設計選擇埋深1 475～1 580 m 的鹽層段建庫，建庫利用鹽層厚度105 m，設計鹽腔高度75 m，最大直徑取值80 m，最小直徑取70 m，估算單腔有效體積約為12.9×104m3。腔體造腔模擬形態(tài)見圖3。

表1 淮安無墊底氣技術和常規(guī)技術建庫參數(shù)對比Table 1 Comparison of storage construction parameters between the no cushion gas technology and the conventional technology in Huaian

圖3 淮安鹽礦單井造腔模擬形態(tài)Fig. 3 Simulated form of single-well cavity construction in Huaian Salt Mine

造腔完成后實施注氣排鹵和注采完井工程，按照腔體埋藏深度和有效體積，單腔庫容和工作氣量估算如下：腔體運行壓力上限為26 MPa，運行壓力下限為11 MPa，估算單腔庫容量為3 022.7×104m3，單腔工作氣量為1 583.5×104m3。

采用無墊底氣技術時，建議采用雙井法，兩井井距15 m，在造腔工程階段采用雙井造腔，造腔完成后實施注采完井工程，一口井作為天然氣注采井完井，另一口井作為鹵水注采井完井，兩井管柱結構均采用? 33.97 mm+? 244.5 mm+? 77.8 mm 組合。按照腔體埋藏深度和有效體積，單腔工作氣量估算如下：腔體運行壓力上限為26 MPa，運行壓力下限為18 MPa，單腔工作氣量為3 022.7×104m3。

顯然，無墊底氣技術條件下，大幅度增加了單腔工作氣量，取消了墊底氣量，按照墊底氣價格2.01 元/m3計算，可節(jié)省墊底氣投資，建庫效益大幅度提高。同時腔體運行過程中，平均運行壓力更高，有利于腔體運行穩(wěn)定。

3.2 楚州鹽礦深鹽層建庫

楚州鹽礦地區(qū)含鹽地層頂面埋深1 700～2 220 m，平均頂面埋深1 900 m，含鹽地層厚度153～313 m，平均厚度230 m。地層中夾層厚度占比較小，鹽層厚度占比較大，不溶物含量平均約為36%。鹽礦具有鹽層埋深大、不溶物含量較高的特點。

兩種不同技術條件下建庫主要參數(shù)對比如表2所示。

表2 楚州無墊底氣技術和常規(guī)技術建庫參數(shù)對比Table 2 Comparison of storage construction parameters between the no cushion gas technology and the conventional technology in Chuzhou

常規(guī)技術條件下，造腔設計選擇鹽層埋深為1 875～2 105 m 層段，厚度230 m，設計腔體高度200 m，腔體最大直徑80 m，則估算單腔有效體積約為25.8×104m3。

造腔完成后實施注氣排鹵和注采完井工程，按照腔體埋藏深度和有效體積，單腔庫容和工作氣量估算如下：腔體運行壓力上限為32 MPa，運行壓力下限為13 MPa，估算單腔庫容量為7 013×104m3，單腔工作氣量為3 908×104m3。

采用無墊底氣技術時，新井建庫采用雙井法，考慮到鹽層埋深大，選擇鹽層埋深1 875～1 990 m 層段建庫，厚度115 m，設計腔體高度85 m，估算單腔有效體積14.5×104m3。雙井造腔完成后實施注采完井工程，一口井作為天然氣注采井完井，另一口作為鹵水注采井完井，兩井管柱結構均采用?33.97 mm+?244.5 mm+?77.8 mm 組合。按照腔體埋藏深度和有效體積，單腔工作氣量估算如下：腔體運行壓力上限為32 MPa，運行壓力下限為23 MPa，單腔工作氣量為3 943×104m3。

顯然，無墊底氣技術條件下，取消了墊底氣量，因此在深部鹽層中造腔時，可以利用較小體積的鹽腔建成較大規(guī)模的工作氣量，不僅節(jié)省了墊底氣投資，造腔時間縮短了42%，同時減少造腔成本，腔體建庫效益大幅度提高。同時腔體運行過程中，平均運行壓力更高，有利于腔體運行穩(wěn)定。

4 結論

(1)無墊底氣技術利用鹵水和天然氣作為墊底介質，通過兩套注采管柱實現(xiàn)天然氣和鹵水往復注采，采用現(xiàn)有技術可以實現(xiàn)。

(2)無墊底氣技術具有諸多優(yōu)勢：一是可以實現(xiàn)儲氣庫工作氣量最大化，天然氣一次注采吞吐量為庫容量的100%，儲氣庫利用效率可以達到100%；二是節(jié)約了墊底氣投資，增大了工作氣量，可以大幅度降低工程單方工作氣成本；三是提高腔體利用效率，可以降低儲氣庫建設工程對于建庫地質條件的基本要求，提高薄鹽層建庫和深部鹽層建庫的經(jīng)濟效益，有利于腔體長期穩(wěn)定運行。

(3)案例表明無墊底氣技術具有廣闊的應用前景，能夠解決我國各地廣泛存在的鹽層厚度小、不溶物含量高、埋藏深度大等鹽穴儲氣庫建庫問題，同時也可以應用于鹽礦采鹵溶腔改建儲氣庫。