岩盐储气库水溶建腔优化设计研究

作为“西气东输” 工程的配套项目，江苏金坛储气库近日正式投产。根据金坛盐矿有利的建库地质特征，运用岩盐溶腔数值模拟软件对溶腔形态变化规律和影响因素进行了分析研究。从溶腔的总体结构以及水溶建腔过程中生产参数如油垫的位置、循环方式、流量控制、管柱组合等方面进行优化设计，给出水溶建腔优化设计准则和方法；针对岩盐储气库水溶建腔方案，提出造腔时间、平均排量、溶腔体积、平均出口浓度、设计符合率等5项主要评价指标，运用灰色物元分析方法对水溶建腔多方案进行优选，得到最佳方案。实例计算表明，按照一定的水溶建腔优化设计准则和方法，能够对岩盐储气库溶腔进行优化设计；岩盐储气库水溶建腔采用灰色物元分析方法能够全面科学地确定设计方案的优劣，很好地解决储气库水溶建腔方案设计优选的问题。     

岩盐品位对岩盐储气库水溶建腔的影响

岩盐储气库就是根据水溶采矿的原理，通过采出盐水，利用在地下形成的溶腔作为天然气的存储空间。岩盐储气库水溶建腔技术是岩盐储气库的核心内容，直接影响着岩盐储气库的后期作业，对岩盐储气库运行效果、使用寿命等具有重要意义。为此，研究了岩盐品位对岩盐储气库水溶建腔的影响：根据水溶建腔机理，建立岩盐储气库水溶建腔数学模型；对岩盐品位不同的地层条件下岩盐储气库水溶建腔进行动态模拟数值计算；进而综合分析了岩盐品位对岩盐储气库水溶建腔的影响规律。结果表明：岩盐储气库应选择在岩盐品位高的地层建造，这样既有利于溶腔形态的控制，又能缩短建腔周期。     

岩盐储气库水溶建腔施工参数优化

岩盐储气库水溶建腔常采用油垫法，其造腔主要施工参数包括：油垫、中间管、中心管等。通过分析在岩盐储气库水溶建腔过程中，油垫位置、中间管位置、中心管位置不同时对溶腔的影响，得出了水溶建腔施工参数对溶腔的影响规律，并结合实际盐矿资料给出了计算实例。研究结果表明，在控制溶腔形状的工艺参数中，油垫位置的控制对腔体形态变化的影响最大，改变油垫的位置，可以有效控制腔体形态；中间管位置在溶蚀过程中是决定溶腔最大半径的主要因素，溶腔的形态受中间管位置的影响很大；中心管位置的变化对溶腔形态的影响很小。掌握油垫、中间管、中心管等位置不同时对岩盐储气库造腔的影响规律，能够为岩盐储气库的溶腔设计与生产提供理论依据和决策手段，以便科学合理地进行设计和生产。     

岩盐储气库水溶建腔的基本原理及影响因素研究

阐述了岩盐储气库造腔的溶解速度、溶解度等基本概念和岩盐储气库水溶建腔的影响因素,分析了水溶建腔的流体输运理论和岩盐溶蚀机理等。指出通过岩盐储气库造腔基本理论的研究,可为岩盐储气库的溶腔设计与生产提供理论依据。     

地下盐穴储气库快速建槽技术及其应用

我国地下盐穴储气库为层状盐层建库,盐岩品位低且夹层多,盐穴的建槽速度慢,腔体底部抬升较快,不能满足我国地下储气库建设的需要,迫切需要寻求新的建槽技术加快盐穴储气库的建槽速度。为此,介绍了盐穴储气库溶腔机理,提出了优化造腔参数、扩眼、使用快速工具促溶3种快速建槽技术：①通过数值模拟对造腔循环方式、管柱提升次数、注水排量等造腔工艺参数进行优化;②采用扩眼法加快建槽速度;③应用喷射式、延伸喷射式和软管式3种造腔工具加快建槽速度。现场应用效果表明：快速建槽技术能够加快盐穴储气库的建槽速度,缩短盐穴建库周期,提高盐穴建库效益。     

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对盐岩地层建设地下储气库的溶腔数学模型进行了研究。为了设计和形成稳定的溶腔形态，依据流体力学、化学动力学及物质平衡原理，对水溶建腔机理进行了分析，建立了盐岩溶腔溶质传输—流体流动数学模型；根据流体力学基本原理和对流扩散理论以及物理模拟基本规律，建立了盐岩溶解速度方程；并通过数值方法对腔体态进行了模拟研究。结果表明，在合理的工艺条件下，通过盐岩水溶开采可以获得稳定的腔体形态，以满足地下储气库的要求，从而为盐穴储气库的溶腔设计提供理论依据和决策手段。     

多夹层盐穴腔体形态控制工艺研究

盐层中多夹层的存在破坏了溶腔边界的连续性,不利于建腔和腔体形态的控制,需要建立多夹层盐穴储气库造腔数学模型,对循环方式、管柱提升次数、排量、管柱组合等盐穴腔体造腔工艺参数进行优化;给出多夹层盐穴腔体建造的顶板保护及腔体形态监测工艺;建立夹层破坏数学模型,提出造腔过程中采用夹层下部溶蚀、加快夹层中可溶物溶蚀速度以及采用工具直接破坏夹层等3种夹层破坏工艺。综合分析认为,采用合理的腔体形态控制及夹层破坏工艺,能够在含有多夹层的盐层中建造符合要求的盐穴储气库。     

盐穴储气库底部碎屑旋转射流冲洗数值模拟

在地下盐穴储气库多夹层岩盐水溶造腔过程中,不溶于水的夹层碎屑极易在盐穴腔底过量沉积,引起有效造腔体积减小、造腔速度降低,从而影响储气库造腔的质量和进度。为此,提出了高压旋转水射流冲洗碎屑的新方法,阐述了通过射流冲击作用和旋流作用,完成高效冲洗腔底碎屑的工作原理;根据多相流理论,建立了旋转射流冲洗碎屑数学模型,数值模拟研究了排量、颗粒直径和工具转速等参数对碎屑冲洗效率的影响规律。模拟结果表明:排量和颗粒直径是影响碎屑冲洗效率的重要因素,冲洗效率随着排量的增大而显著提高,随着颗粒直径的增大而明显降低;在一定条件下,存在最优工具转速,但随着颗粒直径的增大,工具转速对冲洗效率的影响逐渐降低。旋转射流法冲洗盐穴腔底碎屑能够有效提高碎屑冲洗效率,该方法为我国多夹层岩盐的快速、优质和安全造腔作业提供了一条新途径。     

盐穴储气库水溶建腔机理研究

盐岩腔体溶蚀过程是发生在边界层内的溶腔固壁表面与溶液之间的物质交换动态平衡过程，根据盐岩的水溶建腔机理建立数学模型，可以为盐穴储气库的水溶建腔设计提供理论依据。根据物质平衡原理及Fick扩散定律，建立了盐岩溶蚀物理模型；根据流体力学基本原理、对流扩散理论及物质平衡原理，建立了溶腔溶质传输-流体流动数学模型，可求解溶蚀过程中腔体内流体的浓度场和流动速度场分布；根据盐岩溶蚀机理研究，推导出盐岩溶解速度方程，可求解溶腔动边界。用该数学模型进行数值模拟得到的溶腔形态与物理模拟结果吻合较好，能够正确描述盐穴储气库水溶建腔的基本规律，可以用于指导水溶建腔的工程实际。图3表1参6     

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随着我国西部天然气于2003年底开始向上海市供气，建设地下储气库以保证长江三角洲地区和西气东输管线沿线城市的有效、安全用气已刻不容缓。介绍了在盐层中建设储气库采用的水溶采卤技术：通过向溶腔中注入淡水，降低卤水浓度，溶蚀岩盐，使得溶腔不断扩大。为保证储气库长期安全、稳定地运行，必须在建腔过程中控制其形状，使之具有一定的力学稳定性。通过机理分析与模拟实验研究，探索了溶腔形状控制机理，以及在盐层中建设储气库的形状控制技术。     

大尺寸盐岩溶腔模型制备研究及应用

利用现场钻取的岩心,模拟盐穴储气库水溶建腔过程,岩心尺寸小,且不能完全代表整个造腔层段的特征。经研究,提出了一种大尺寸盐岩储气库溶腔模型制备方法,采用氯化钠、泥土等材料配制盐岩溶腔模型;建立了盐穴储气库水溶建腔数学模型,利用相似比确定了实验参数;给出了利用人造盐岩模型开展造腔物理模拟的应用实例。     

盐穴储气库造腔节能优化技术

为实现盐穴储气库建设降本增效,必须识别能耗关键点,针对注水造腔工艺过程进行优化,避免注水二次循环。在满足造腔量及外输卤水浓度的要求下,应用非线性规划理论结合水溶造腔生产实际,建立多井溶腔工艺参数优化数学模型,进行了多井溶腔工艺参数方案优化,提高注水溶盐效率。根据优化方案,改造现场注水工艺流程,保证一次循环多井采卤浓度满足外输要求,提高盐穴储气库建库效率。通过现场对工艺优化后,改造后工艺流程有效降低单位造腔体积能耗41.18%,对盐穴储气库建设具有重要意义。     

金坛盐穴地下储气库建库关键技术综述

金坛盐穴储气库是中国第一个盐穴储气库，建设金坛盐穴地下储气库是一个比较复杂的系统工程，建库中通过摸索形成和运用了多项关键技术。①地质评价：对建库区域的选择和溶腔密封性至关重要；②溶腔设计及稳定性评价：是确保溶腔稳定的最佳形态并达到体积最大化的技术保障；③造腔技术：是整个建库工程的核心，它是能否实现所设计的理想溶腔形态和体积的关键；④声纳检测技术：确定造腔过程和最终溶腔的体积和形态；⑤完整性测试溶腔：是能否开始建造和建造后可否投入运行的关键；⑥热动力模拟：是编制盐穴储气库运行计划并为地面设施配套的重要依据；⑦老腔井筒改造技术：部分形态较好的采盐溶腔改建成为储气溶腔，加快了储气库建设进程。金坛储气库的建设使中国具备了建设同类地下油气储备库的技术实力。     

盐穴地下储气库溶腔形态变化数值模拟

盐岩蠕变对盐穴地下储气库的溶腔形态有着较大的影响,易造成储气库失效、泄漏、破裂等安全问题。为此,利用美国ITASCA咨询集团公司开发的FLAC3D快速拉格朗日差分软件,建立了盐穴储气库模型,对储气库溶腔蠕变规律进行了数值模拟,分析了在不同蠕变时间内、不同内压下储气库溶腔在不同直径处的变形量,得到在盐岩蠕变下,盐穴储气库溶腔形态的变化规律,并给出了相应操作建议:1盐穴储气库溶腔不同直径处产生的变形量是不同的,溶腔最大直径处变形量最大,随着直径的增大变形量增大,且呈非均匀性增大,因此在建设盐穴储气库时,应对储气库溶腔的高径比进行严格地计算;2溶腔内压对储气库溶腔变形量有直接作用,较高压力下的盐岩蠕变对储气库溶腔形态变化的影响比低压时小,因此建议在盐穴储气库实际运行过程中,尽量避免低压运行,以保证储气库溶腔形态的完整性。该成果为盐穴储气库的安全运行与维护提供了可行的依据。     

天然气地下储气库注采完井工艺

简述了地下储气库的类型。对枯竭型地下储气库、完井管柱结构、注采完井管柱结构及施工工艺进行了介绍；对盐穴型地下储气库有溶腔和无溶腔注采完井作业施工工艺进行了系统分析，为国内地下储气库的建设提供了指导和借鉴。     

金坛盐穴储气库造腔关键参数优化

在金坛盐穴储气库工程建设中,由于缺乏造腔经验,导致造腔速度慢,盐腔有效体积小,严重制约了建库速度。为提高造腔有效体积和造腔速度,对现场造腔生产数据进行了分析,对造腔关键技术进行了优化:注水循环方式以反循环为主,正循环为辅;第一次建槽时,油垫距内管口一般为30~40 m,建腔期油垫提升高度约15 m,封顶期不大于10 m;注水排量循序渐进,平稳恒定,建槽期平均注水排量为80~90 m3/h,建腔期平均注水排量为90~100 m3/h;建腔期正、反循环造腔内外管优化距离分别不低于45、10 m,可有效保证排卤质量浓度。该研究可为盐穴储气库造腔参数优化提供指导。     

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。     

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。     

西气东输盐穴储气库库容及运行模拟预测研究

掌握盐穴储气库的库容量和运行过程中的状态变化是合理制定盐穴储气库调峰方案的基础。在溶腔体积一定时,通过气体状态方程可求出单个溶腔的库容量,但需充分考虑溶腔的最大压力和温度对库容及工作气量的影响。在气库的注采过程中,天然气的不断压缩和膨胀并在井筒和地层中产生热交换,引起井筒和溶腔内的温度和压力变化。该变化过程遵循能量守恒和质量守恒定律,可建立相应的数学模型对溶腔和井口的温度压力进行预测。对西气东输盐穴储气库单腔运行过程的模拟发现,溶腔投入运行后的首个注采周期是温度、压力变化最剧烈的阶段,且单腔的工作气量并非一成不变,它与溶腔同一周期的采气时间长短成负相关关系,开采周期越长,溶腔温度变化越平稳,能采出的工作气量也越多;反之,则工作气量越少。因此在制定盐穴储气库调峰方案时,应尽量避免单个溶腔的强注强采而导致溶腔温度压力的剧烈变化,从而最大限度地提高单腔工作气量,发挥储气库的最大调峰能力。     

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。