盐穴地下储气库腔体稳定性监测体系的建立

随着我国盐穴地下储气库(以下简称储气库)建设的不断推进,第一批投产的盐穴腔体运行已超过10年,由于盐腔长期受到注采交变应力、交变温度以及盐岩自身蠕变等因素的影响,发生蠕变、沉降、片帮、垮塌和泄露等失稳情况的可能性不断增加。华北石油管理局有限公司江苏储气库分公司所管辖的金坛盐穴储气库,基于多年的实践总结,已经形成了多项盐穴储气库监测技术。为了保证盐穴储气库的注采运行安全,将已有的监测技术升级形成有效的监测体系便成为当务之急。为此通过对比各种监测方法的监测周期、监测内容、评价方法及影响因素等,结合金坛储气库现场实际应用效果,分析了各类监测技术的特点和可靠性,建立了盐腔稳定性现场监测技术体系。研究结果表明:①由单井参数、地面沉降、带压测腔、微地震事件等4种现场监测技术组合而成的监测体系,可以满足盐腔稳定性监测的需求;②金坛库区已有部分区域发生了一定程度的地面沉降,但尚不能直接定性为盐腔引发的沉降;③建议在该区建立井下微地震事件永久监测网。结论认为,该监测体系能够满足现场对于盐腔稳定性监测的需要,并且可以有效评价盐腔稳定性状态、及时指导盐腔安全运行。

盐穴储气库无垫底气技术探讨

盐穴储气库运行过程中垫底气始终无法采出,增加了储气库工程建设成本,降低了储气库运行经济效益。基于盐穴储气库注气排卤技术经验,提出了盐穴储气库无垫底气技术。从储气库运行方式、腔体利用效率、建设成本、建设地质门槛和腔体长期稳定性等方面,对无垫底气运行和常规运行两种方式进行了对比,并以2个储气库为典型代表,给出了薄盐层和深部盐层利用2种不同技术建库的对比案例。结果表明,无垫底气技术可以大幅度提高盐穴储气库腔体利用效率,显著降低盐穴储气库工程建设成本,降低盐穴储气库建设地质门槛,有利于腔体长期稳定性运行,该研究可为我国盐穴储气库建设带来更好的效益。

盐穴储气库技术现状及发展方向

总结国内外盐穴储气库建设技术发展趋势,认为国外的丛式井布井方法、大井眼井身结构与大排量造腔、卤水回注地下等技术手段值得借鉴。同时国内盐穴储气库建设仍面临优质库址资源少、造腔周期长、腔体有效利用率低等难题。为破解这一系列难题,在开展市场化运作模式探索的同时,更需要加大核心技术攻关,加强建库地质评价、钻完井工程、造腔设计与控制、复杂连通老腔利用、扩大储气空间等多个方面核心技术的研究,大幅度提高储气库建库效率,促进我国盐穴储气库可持续发展。

复杂岩性盐穴储气库水溶特性及造腔对策

我国盐穴储气库建库地质条件复杂,优选建库区域及层段是盐穴储气库高效建库的基础。以平顶山、淮安、安宁、楚州4座盐穴储气库为研究对象,针对不同建库区、不同建库层段、不同特征岩性开展岩心水溶组分分析化验,归纳了4座储气库建库地层水溶特性,分析了不同地区造腔影响因素,并提出相应建库对策:(1)平顶山加强夹层垮塌的控制和预测;(2)淮安采取水平井工艺避开厚夹层;(3)安宁采取防垢、除垢措施减小管道结垢对工程的不利影响;(4)楚州采取提高残渣有效空间动用率的方式增大库容。

盐穴储气库氮气阻溶造腔过程中的管材腐蚀

受制氮工艺影响,在氮气阻溶过程中,注入的氮气中含有一定量的氧气,导致井下及井口金属材质出现腐蚀,影响后期储气库的安全平稳运行。通过室内高温高压腐蚀失重试验,并结合扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等表面分析技术,分别测试了氮气阻溶造腔工况下氮气浓度、井下温度和井下压力对N80套管在高矿化度盐水环境中的气液两相腐蚀速率,量化了不同因素对管柱腐蚀的影响程度。实验结果表明:现场工况条件下,氮气浓度从80%增加到99.99%,液相腐蚀速率由1.3629 mm/a降为0.0419 mm/a,气相腐蚀速率由0.0176 mm/a变为无腐蚀状态;温度从10℃增加到40℃,液相腐蚀速率由0.3414 mm/a升高到0.4829 mm/a,气相腐蚀速率由0.0051 mm/a升高到0.0089 mm/a;压力从10 MPa升高至14 MPa,液相腐蚀速率由0.5442 mm/a升高到0.6059 mm/a,气相腐蚀速率由0.0066 mm/a升高到0.0089 mm/a。根据上述实验结果,在氮气阻溶造腔实际工况下,当氮气浓度高于95%时,N80造腔管柱气液两相腐蚀速率可满足3~5年的造腔需求,认为95%氮气浓度作为阻溶剂的使用纯度下限,可为氮气阻溶造腔现场操作及制氮方式选择提供依据。

盐穴储气库低节流井下安全阀的研制

为了满足盐穴储气库注气排卤简化技术的设计要求,降低井下安全阀节流冲蚀的影响,以内径尽可能大、外径尽可能小为原则,优化了安全阀本体连接及液控管线与安全阀连接处的密封形式,将S13Cr-P110新材料应用于弧形阀板结构,研制了最大外径Ø184.15 mm的盐穴储气库低节流井下安全阀,并进行了液压控制管线及液控系统压力测试、开启关闭功能测试和泄漏速率测试。研究结果表明,SVT5低节流井下安全阀降低了安全阀处29.51%的节流,符合ANSI/API Spec 14A井下安全阀设备规范要求,水密封试验及气密封试验均合格,为盐穴储气库注气排卤完井作业技术的发展提供经验。

金坛A盐穴储气库体积收缩率较大原因分析

金坛盐穴储气库A溶腔投产不到2年,声呐测腔结果表明该腔体体积收缩率达到3.86%,约为该区域其他腔体体积收缩率平均值的5~7倍。为了找到该腔体体积收缩率过大的原因,根据金坛地层结构、声呐测腔数据和运行压力监测值等参数建立了用于该腔体稳定性评价的三维地质力学模型,对腔体体积收缩率、腔壁变形量、塑性区、等效应变和剪胀安全系数等稳定性评价指标进行了计算分析。计算结果表明:导致出现体积收缩率过大的主要原因是声呐测量误差而不是真实体积收缩,该腔体形状较为复杂,存在大量隐护空间,导致声呐测量误差增加;该腔体整体稳定性较好,腔体体积收缩率约为0.54%;该腔顶部结构较为平直且跨度大,不利于腔顶承载,一旦出现局部破坏,在自重作用下将会发生顶部掉块等失稳破坏,甚至威胁到套管鞋安全,建议在后期运行过程中加强监控。

盐穴地下储气库产业链增值增效技术思路

目前中国盐穴地下储气库的建设一般都是通过“盐企—气企”以一种“先采盐、后储气”的方式合作进行的,产业模式单一,存在着低值低效等不足,如何利用建设和管理新技术实现盐穴地下储气库产业链的增值增效、优化产业发展模式是备受关注的难点问题。为此,通过分析中国盐穴地下储气库产业链的现状,剖析了当前产业模式低值低效的弊端及其原因,梳理了产业相关技术,提出了增值增效技术思路和新的协作模式,并对新模式的实施和发展提出了建议和展望。研究结果表明:①当前产业模式的低值低效问题主要体现在卤水处理效率低、垫底气长期被占压、大量废弃老腔闲置等方面;②“边采盐、边储气”“气—液往复式互替”“气电联动调峰”等技术思路可以为盐穴地下储气库产业链增值增效提供支撑;③基于上述技术思路,提出了一种颇具优势的盐穴地下储气库产业链增值增效协作新模式。结论认为,新模式通过改进造腔方式、充分利用老腔、引入压缩空气储能技术等,使得不同储能之间形成联动关系,既可以盘活垫底气资源和剩余卤水资源,又能够提高建库效率,实现气、电联动调峰,可以实现盐穴地下储气库产业的增值增效。

金坛盐穴储气库注采运行参数优化设计研究

随着国家对能源需求量的日益增加,盐穴储气库在天然气应急调峰和能源战略储备中的作用越来越大。储气库的运行参数设计决定了库区的工作气量和日常调峰能力,是影响储气库经济效益的关键因素。以金坛储气库H1井为背景,建立三维地质力学模型,对腔体下限运行压力及采气速率进行优化设计和数值模拟计算,并引入稳定性评价指标对计算结果进行检验,探讨了盐穴储气库注采参数对腔体注采运行安全性的影响。结果表明腔体稳定性随下限运行压力的升高而增加,随采气速率的升高而降低,夹层和腔顶平直处是腔体安全性的薄弱位置。该研究可为盐穴型储气库注采运行参数设计提供参考。

金坛盐穴储气库定向井提高盐岩利用率研究与应用

为解决盐穴储气库区块内布井困难、建井数量少、库容量和工作气量达不到区块建库需求等问题,通过定向井井眼轨道设计、套管下入等问题分析,提出适用于金坛盐矿区地质条件的盐穴储气库丛式定向注采井的设计方案,区块布井数量由前期可研方案的12口井,调整至20口井。定向井布井方式较常规直井布井方式井数增加60%以上,经济效益和社会效益明显。实践表明,定向钻井适合于金坛区块情况,可明显增加区块库容量,最大限度合理利用盐矿资源。金坛地区现场实施定向井18井次,井筒质量等各项参数符合建库需求,未来可扩大至其他盐穴储气库区块,对加快国内盐穴储气库建库效率具有重要意义。

盐穴储气库井筒泄漏监测室内模拟实验

由于盐穴储气库注采井井筒管柱和胶结水泥石长期受到交变温度及应力的影响,容易发生漏失,为了保障储气库平稳安全运行,结合光纤分布式声波传感系统(DAS)进行了井筒泄漏监测的室内模拟实验。实验模拟盐穴储气库选用Ø177.8 mm和Ø244.5 mm的油套管柱组合,内管注气、环空注液、设置中间丝扣为泄露点,通过注氮气控制内外压差为0~12 MPa,结合光纤分布式声波传感系统(DAS)及噪声测井技术进行模拟分析。实验结果明确了分布式振动光纤泄漏监测系统的泄漏特征为DAS瀑布图、DAS频谱图均有异常显示,系统的精度为±1 m以内,泄露测量下限为0.83 L/min;系统能有效判别并实时监测气体在注采运行过程中是否发生泄漏,为盐穴储气库井筒泄漏监测技术提供参考和技术支持。

盐穴地下储气库氮气阻溶管柱腐蚀寿命预测

为分析盐穴地下储气库氮气阻溶条件下管柱的氧腐蚀情况,预测其服役寿命,通过室内高温高压腐蚀失重试验,研究氮气纯度对N80管材的气液两相腐蚀规律,并结合X射线荧光光谱(XRF)分析、X射线衍射(XRD)分析、扫描电镜(SEM)分析等表面分析技术对腐蚀产物进行表征分析。最后基于均匀腐蚀速率对管材的腐蚀寿命进行预测。研究结果表明:试验条件下,液相腐蚀速率随氮气纯度升高逐渐降低,氮气纯度在78%~95%范围内时,液相腐蚀严重,需考虑管材的防腐,液氮环境(氮气纯度为99.9%)中,液相腐蚀速率低于油田腐蚀控制指标0.076 mm/a,可不考虑管材的腐蚀影响。随氮气纯度的增加,内、外管在不同工况下的服役寿命均逐渐延长。99.9%、95.0%、90.0%和78.0%的氮气纯度均可满足3 a造腔周期的管柱强度;在5 a造腔周期下,建议氮气纯度下限为90.0%。该研究成果可为盐穴储气库造腔提供有力依据。

盐穴储气库氮气阻溶注氮量计算及现场试验

盐穴储气库使用柴油作为阻溶剂,成本高,油水分离难度大,容易污染环境。氮气作为阻溶剂成本较低,环境友好无污染。为此开展了盐穴储气库氮气阻溶现场试验,结合气液界面控制方法,针对造腔过程中气液界面在裸眼和腔顶2种情况,建立氮气注入量计算式,在金坛储气库进行了2个阶段的氮气阻溶现场试验,结果表明,考虑10%~20%的损耗后,计算得到的注氮量和实际注氮量相符,试验井增加腔体体积约5×10^4 m^3,气液界面稳定,腔体形状规则,与设计基本一致。

盐穴储气库中子寿命测试油水界面技术

随着岩穴储气库进入迅速发展阶段,油水界面的精确测量成为保障盐穴储气库造腔过程安全平稳运行的关键。为此围绕中子寿命测井技术,进行了充分的理论分析和论证,通过现场实际运用,克服造腔内外管、围岩等客观因素的影响,形成了适用于岩穴储气库中子寿命测试油水界面技术,解决了油水界面难以精确测量问题。实现了对裸眼段到腔体内油水界面的精确测量,为我国盐穴储气库造腔过程提供了有力保障。

盐穴储气库高效注排采一体化管柱

注气排卤是实现盐穴储气库腔体注采运行的重要工序,目前国内注气排卤工艺存在管柱注排过流面积小、排卤周期长、带压起出排卤管柱风险大、工序复杂等问题。结合金坛盐穴储气库现场情况,研制了新型高效注排采一体化管柱,并通过入井试验开展了管柱的可行性、时效性、安全性及经济性的研究。结果表明,采用新工艺后平均排卤速度由108.59 m^3/h上升至136.94 m^3/h,排卤效率提高约26%,单口井平均注气排卤时间从115 d缩短至91 d,节省注气排卤时间24 d;采用丢手丢弃尾管,省去了带压起排卤管工序,缩减作业时间10~15 d。新型高效注排采一体化管柱可有效提高建库速度,减少安全风险,降低建库成本,可以在盐穴储气库建设过程中推广使用。

沁南盆地冷冻煤储层压裂技术探索与实践

改造煤层是煤层气增产的重要技术手段之一,但由于煤储层特有的割理系统和岩性特征,常规水力压裂技术在现场实践中暴露出了一些不适用性。基于液态二氧化碳低温性、安全性、吸附分压和相变增压的特点,进行了液态二氧化碳冷冻煤储层压裂技术探索。国内首次在沁南盆地X150-1井进行了冷冻煤层试验,现场试验表明,井下不仅形成了冰晶,还起到了明显的暂堵作用,达到了控制裂缝转向、持续扩展造缝的目的。与邻井X150-2井生产数据进行了对比,从后期排采效果来看,该技术体现出改造后单井解吸时间短、产气量高的优势;从长期排采效果看,在后期液面降至煤层附近后,X150-1井日排水相对较高,具有更好的产气潜力。该技术是常规水力压裂技术的一种有效补充和发展。

雷击诱发多米诺效应站场储罐脆弱性评价

为量化雷击作用诱发的多米诺效应对站场储罐区事故的影响,利用相关标准,计算了不同储罐规格、不同密封条件下雷击引发池火灾的场景概率,结合贝叶斯网络,提出了多米诺效应定量分析方法及计算流程,并依据断链减灾原理,识别了最危险的初始单元和目标储罐,进而对储罐进行了脆弱性评价,并根据社会风险分析了不同措施对风险降低的影响。结果表明,不同密封形式造成的雷击池火概率有所不同,最危险的初始单元和最危险的目标储罐与主导风向、风速、罐组间距等因素相关,控制最危险的初始单元对多米诺效应的减灾防控效果更好。研究结果可为同类站场储罐区的风险评价提供实际参考。

注水排量对水平井造腔腔体形态影响实验研究

针对国内盐穴储气库普遍存在的盐岩层厚度小、隔夹层厚度大的问题,提出采用具有造腔成本低、成腔率高的水平井多步法造腔技术。通过建立物理相似实验平台开展不同排量对水平腔体形态影响的实验,研究水平井造腔腔体形态扩展与排量的关系。结果表明:当排量为5~10 mL/min时,腔体发展呈现不均匀性,腔体最终呈“鞋”形态;当排量为20~30 mL/min时,腔体形成的顶部高度差较小,形状规则,呈圆柱形;造腔排量存在一临界值,该临界排量为20 mL/min,高于该临界值时,单位时间内的腔体累积产盐量随排量增大而减小,低于临界值时,腔体累积产盐量随着排量增大而增大。通过合理调配造腔参数,水平腔体最终呈“隧道”形。该研究对水平多步法造腔技术应用提供了一定理论基础并为水平井造腔在盐穴储气库规模化使用提供技术支持和借鉴。

曳引式抽油机在举升中的应用分析

曳引式抽油机是一种新型抽油机。为分析其举升特点和节能机理,根据它在结构和技术上的改进,以举升系统为研究对象,分析了悬点运动规律和受力情况,依据动能定理建立了电机转矩的函数关系,并由电机上下冲程相应阶段转矩相等的原则,推导了平衡重计算模型。结合现场应用情况,分析了影响工况主要参数的变化原因及其效果。应用结果表明,该举升系统运行可靠、稳定,节能效果明显。

光纤式油水界面仪井下损坏分析及防范措施

在盐穴储气库溶腔建库的过程中,油水界面的位置是溶腔的关键,若溶腔过程中油水界面不精准,将会破坏腔体形状及稳定性,更严重可能导致腔体报废。光纤式油水界面仪是目前测量油水界面的主要手段。通过对光纤式油水界面仪在金坛盐穴储气库现场损坏现状进行分析,发现1/3以上井次油水界面仪存在不同程度的损坏,主要原因是由于不溶物含量高于80%,造腔过程中不溶物掉落,导致管柱摆动,砸损光纤。为了降低光纤式油水界面仪损坏发生的频率,遇到不溶物含量高于80%的夹层时,宜将造腔外管管鞋提到不溶物夹层之上,同时对光缆采取机械半保护措施。对金坛盐穴储气库2口井进行现场试验应用,经过半年的时间未再发现光纤损坏现象,说明该防范措施对光缆起到了有效保护。