盐穴型地下储气库建库评价关键技术及其应用

完颜祺琪 丁国生 赵 岩 李 康 邓金根 郑雅丽

1. 中国石油大学（北京） 2.中国石油勘探开发研究院3.中国石油天然气集团有限公司油气地下储库工程重点实验室 4.中国石油西气东输管道公司

盐穴型地下储气库（以下简称盐穴储气库）是重要的储气调峰设施，尤其在缺乏气藏建库目标但地下盐矿资源较为富集的南方地区，是地下储气库建设的首选目标。金坛盐穴储气库是我国第一座盐穴储气库，2001年开始启动前期研究与评价，2007年开始投入运行，经过十余年的建设与运行，工作气量超过6×108m3，日采气能力突破1×107m3，为保障长三角地区安全平稳供气做出了重要贡献。楚州、平顶山、云应等盐穴储气库目前处于可行性研究阶段，已开展了夹层垮塌、双井造腔等先导性技术试验。通过总结金坛等盐穴储气库的设计与建设经验[1-4]，全面更新设计理念，形成了盐穴储气库建库评价技术序列，重点论述了选址评价、造腔设计与控制、稳定性评价及库容参数设计、老腔筛选及利用、气库运行及监测等5项特色关键技术，利用这些技术指导盐穴储气库方案设计与矿场实施，并分析了技术应用效果。

1 选址评价技术

在同一含盐盆地的不同位置，盐层的埋深、沉积厚度和盐岩品位等参数存在较大差异。因此，盐穴储气库选址评价工作的目的是选出含盐盆地的最优质盐层。选址评价是以构造研究和沉积学研究为基础，以地震勘探、测井分析为手段，对盐层的沉积特征、盐层空间展布控制因素及分布规律、夹层的性质及分布规律、盐层顶底地层密封性，以及与盐体有关的断裂特征等进行精细地质评价。在金坛、平顶山、楚州等盐穴储气库的评价与建设过程中，形成了高精度三维地震解释和含盐地层岩性识别等特色技术[5]。

1.1 高精度三维地震解释技术

为了落实含盐地层的构造与沉积展布特征，选出远离断裂发育带、埋深适中和含盐地层厚度较大的区块作为有利建库地质区，需对含盐盆地进行三维地震采集与处理解释，确定含盐地层的三维空间展布特征。高精度三维地震解释技术以精细层位标定技术、相干体与曲率体断层解释技术、地震属性及地震反演技术为代表，可有效识别厚度5 m以上的盐层、断距10 m以上的断层，精细准确刻画含盐地层的三维空间展布特征。通过建立三维地震构造模型和岩相模型与属性模型，有效指导了金坛、平顶山、楚州、云应等盐穴储气库的建库区块层段选择。

1.2 含盐地层岩性识别技术

我国盐穴储气库建库地质条件以陆相层状盐岩为主，岩性组合复杂多变，存在盐岩、硬石膏和钙芒硝等多种岩性矿物。准确鉴定矿物组合与含量，是确定盐层水溶速率、设计盐穴储气库水溶方案的基础。含盐地层岩性识别技术主要通过分析不同矿物电测曲线特征，建立测井解释模型和岩性识别图版。以云应地区测井解释为例，采用声波时差、补偿中子、体积密度3条测井曲线，建立了盐岩、硬石膏和钙芒硝的测井曲线识别响应特征，定量计算出矿物组分含量。通过测井精细标定解释，获得造腔段不溶物平均含量为49%，将理论计算与实际声呐测腔结果进行对比，二者较吻合。该方法为后期造腔方案调整及现场实施提供了可靠依据。

2 造腔设计及控制技术

与盐化企业采卤制盐不同，盐穴储气库的造腔设计目标是高效利用盐层建造储气空间，并兼顾腔体有效体积最大化、腔体形态结构稳定、排卤浓度符合要求等多项原则。因此，需充分考虑层状盐岩的水溶造腔机理，综合评价各种地质因素与工程因素对造腔过程的影响，科学合理的设计造腔施工方案，及时跟踪动态调整造腔工艺参数，有效控制腔体形态发展方向。

2.1 造腔设计技术

造腔数值模拟技术是进行盐穴储气库造腔设计的主要手段。该技术是在分析工区地质参数（建库层位、NaCl含量、不溶物含量、膨胀率）和水溶参数（上溶速率、侧溶速率、侧溶角）的基础上，通过建立造腔数值模型，并优化造腔参数[循环方式、管柱提升次数、两口距（造腔中间管端口与中心管端口之间距离）、油垫位置、注水排量、溶蚀天数等]，实现腔体设计目标（腔体体积最大化、腔体形态结构稳定、出卤浓度符合卤水接收企业要求）的数值模拟过程。

造腔数值模拟技术的实现方法为：使用造腔数值模拟软件，将造腔过程分解为数个阶段，通过调节每个阶段的造腔时间、注水排量、两口距、垫层位置等参数，进行大量造腔方案比选，优选制定造腔方案。通常在造腔初期阶段采用小排量、正循环建槽以容纳不溶物残渣，中后期采用大排量反循环造腔以提高排卤浓度、加快造腔进度，并通过调控两口距与垫层距离，调节腔体内卤水浓度分布模式，实现腔壁不同位置的差异溶蚀，有效控制腔体形态扩展方向。依托金坛盐穴储气库建设，国内单井造腔数值模拟技术已基本成熟。针对层状盐岩夹层对盐腔形态、稳定性等产生的不利影响[6-7]，借鉴国内外经验，形成了适合层状盐岩的造腔数值模拟技术。应用该技术，编制完成金坛储气库造腔方案，相关参数如表1所示，部署新腔井50余口，已建的10余口盐腔最终形态与设计形态的符合率逾90%。

造腔物理模拟技术是造腔设计的辅助手段。该技术可通过室内尺度的相似性物理模拟实验[8]，模拟不同工况注采循环的造腔过程，得到水溶造腔的溶蚀特征规律，与造腔数值模拟软件模拟结果相互验证，加深水溶造腔机理认识，为造腔设计与控制提供有效指导。同时，伴随着盐穴储气库建库目标向薄盐层、低品位领域拓展，传统水溶造腔数值模拟软件无法模拟定向对接井、水平井等新造腔工艺的问题愈加突出。通过造腔物理模拟技术，可在室内实现岩心尺度的小型定向对接井、水平井造腔过程模拟，为研发水平井等造腔新工艺提供基础数据支撑。

表1 金坛储气库造腔方案参数表

2.2 造腔形态控制技术

造腔形态控制指在造腔过程中，通过调节循环方式、两口距、垫层位置、管柱提升次数、注水排量和溶腔时间等造腔参数，控制腔体形态的发展趋势，最大限度地使实际腔体形态吻合设计形态。在金坛、云应、淮安等盐穴储气库的造腔过程与造腔先导性实验中[9]，通过研究不同造腔工艺参数对造腔形态、造腔速度和造腔周期等的影响规律，形成了层状盐岩造腔工艺控制技术，建立了造腔工艺控制技术流程，以指导现场建设。金坛储气库腔体形态控制经验：①建槽期宜采用正循环造腔方式，造腔期宜采用正循环或者正反循环结合方式；②造腔初期采用小排量，随着腔体体积增大，逐步加大排量，以该储气库采用Ø177.8 mm＋Ø114.3 mm管柱组合而言，最高排量不宜超过100 m3/h；③管柱提升次数介于6～10次，根据盐腔形态发展，及时调整管柱位置；④造腔初期采用较小两口距，扩大盐腔直径，随着盐腔高度增加，适当增加两口距，有利于盐腔快速发展；⑤造腔初期垫层位置提升高度宜小于20 m，以扩大盐腔底部直径，造腔中期增加垫层提升高度，造腔末期垫层提升高度降低至10 m以下，有利于形成穹状腔顶。

2.3 夹层垮塌控制技术

我国层状盐岩多以薄盐层、多夹层、不溶物含量高为特征，通常含有厚度10 m左右的夹层。厚夹层的存在限制了造腔层段的选择范围，如能掌握夹层垮塌机理、控制夹层垮塌过程，可提高盐层利用率、扩大腔体体积。在淮安等盐穴储气库的评价过程中，通过室内实验研究、数学模型建立、稳定性数值模拟等方法，初步掌握了夹层垮塌机理、影响因素与控制模式，形成了增大夹层腾空跨度、加快垮塌的夹层垮塌控制技术并成功应用于矿场实验。在淮安盐穴储气库造腔先导性实验中，在夹层上、下盐层内分别建槽，增大了夹层垮塌跨距，实现了夹层快速垮塌，解决了厚夹层盐岩造腔难题，成功应用于淮安盐穴储气库造腔工程设计并实施[10]，该技术可增加淮安盐穴储气库单腔有效体积1.6×104m3，提高单腔工作气量15%。

3 稳定性评价及库容参数设计技术

为了保障盐穴储气库在长期高强度往复交变注采工况下最大限度地保持腔体形态稳定安全，降低腔体坍塌变形失效风险，需对盐穴储气库进行稳定性评价，合理设计气库运行压力区间，优化矿柱宽度和顶底板距离等安全参数，精细评价腔体周围应力应变展布状况，科学预测腔体长期运行之后的盐腔稳定性与收敛率，制订高效合理的库容运行参数。

3.1 岩石力学实验测试技术

测全、测准含盐地层的岩石力学参数是开展稳定性数值模拟评价的前提。准确测定含盐地层岩石力学参数，建立符合工区实际工况的岩石力学模型，才能保障盐穴储气库稳定性数值模拟评价的准确度，科学合理地制订盐穴储气库安全参数。含盐地层岩石力学参数包括抗压强度、抗剪强度、抗拉强度、杨氏模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角和盐岩蠕变率等，主要通过单轴和三轴抗压强度试验、拉伸试验、界面剪切试验和蠕变试验等试验测得。为了更准确地研究岩样的力学损伤过程，引入了声发射测试观测方法，再现了样品损伤的微观起始点出现到宏观破坏的整个发展过程，加深了对岩层破裂机理的理解。为了提高盐岩蠕变率预测精度，建立了长周期（3～6个月）盐岩蠕变试验测试方法，采用分级应力加载方式，测试不同压力下盐岩的蠕变特性，以反映盐岩的真实蠕变特征。为了加强对盐穴储气库全周期运行过程的理解，形成了盐穴储气库全周期大型物理模拟技术。该技术采用相似材料模拟含盐地层岩石力学特征，采用气囊模拟盐腔，建立室内大型盐穴储气库物理模拟模型。通过对模型施加持续压力模拟真实地应力状态，并在腔壁设置传感器监测腔体压力与应力变化，评价储气库运营期间注采气周期频繁交替对盐腔长期稳定性的影响，提高对盐腔长周期蠕变机理的理解。

3.2 稳定性评价数值模拟技术

盐穴储气库稳定性评价数值模拟评价技术是采用弹塑性力学理论和数值计算方法，从研究岩体的应力应变与位移的角度出发，建立稳定性评价数值模拟模型（图1），分析、评价盐腔在特定注采工况下的稳定性状况。

图1 盐穴储气库稳定性评价数值模拟图

数值模拟评价技术主要包括单腔、腔群和地面沉降3大类，评价内容包括优选盐腔形态、确定运行压力、设计相邻盐腔安全距离、判断腔周应力应变分布范围、预测腔体收缩率和论证地面沉降安全性等，评价的方法主要包括静力模拟、恒压流变模拟和注采运行模拟，其中静力模拟和恒压流变模拟主要用于优选盐腔形态和上下限压力区间；注采运行模拟主要用于确定运行压力具体值、套管鞋位置、相邻盐腔安全距离及论证地面沉降安全性、判断腔周应力应变分布范围和预测腔体收缩率（图2）。在平顶山等储气库评价过程中，通过盐穴稳定性评价数值模拟技术，论证落实平顶山储气库运行压力区间，将平顶山建库深度由1 200 m向下延伸至2 000 m，拓展了中深层盐层建库的新领域。设计工作气量由2×108m3提高至26×108m3，极大提高了储气库工作气量。

图2 盐腔体积收缩率与时间关系图

3.3 库容参数设计技术

库容参数设计是根据盐腔的体积和压力数据，计算腔体的单腔有效体积、库容量、垫气量与工作气量，由此计算分析盐腔的注采气能力，进行注采热动力模拟，制订合理的注采方案。盐穴储气库注采过程是一个复杂的热动态平衡过程，天然气、注采管柱、井壁和溶腔围岩在注采过程中会不断进行热量的交换[11]。这种热能的交换对溶腔内部的压力和注采气能力都会产生较大的影响。注采运行热动力模拟与预测通过应用工程热力学、传热学和流体力学基础理论，对盐穴储气库的构造和实际运行过程，分别建立井筒连续流动及热传导模型、溶腔热传导模型和天然气水合物形成条件模型，并建立相应数学模型的边界条件，编制相应的计算程序，通过热动力模拟，能够分析在各种采气条件下溶腔内部和井口的温度、压力变化，以及开采过程中天然气水合物形成的趋势，从而为地面工程配套设施提供设计依据。

4 老腔筛选及利用技术

我国盐穴储气库所在盐矿区往往拥有大量盐化企业生产多年的采卤老腔。如能改造利用已有老腔进行储气，将极大缩短盐穴储气库的建库周期，节约建库成本，提高建库效率。由于盐化企业的钻井与采卤工艺、造腔目的与盐穴储气库不同，井筒与腔体的密封性、完整性和稳定性差异较大，需对老腔进行筛选和评价，选出适合改建储气库的老腔，才能进行进一步的改造施工。

4.1 老腔筛选技术

老腔筛选过程要考虑地质条件、腔体条件和地面条件。地质条件主要考虑腔体是否远离断层、盖层是否密封。腔体条件主要考虑腔体体积、井口距离、是否压裂、采卤期间是否发生事故和腔体的几何形态等。地面条件主要考虑井口是否邻近村落、学校、医院等人口密集区，井口改造是否利于施工。

4.2 老腔评价技术

老腔评价是通过对筛选出的老腔开展水试压测试、气密封测试、声呐测试和稳定性评价等工作，以确定老腔腔体的密封性和稳定性。水试压测试技术是通过监测注入水流量和压力随时间变化情况，以低成本、方便快捷的方式初步判断腔体密封性。气密封测试技术是对通过水试压测试的腔体，注入空气监测压力变化情况，监测测试期间气体的泄漏量来进一步评价腔体的密封性。声呐测试技术是通过下入声呐测试仪器，测定腔体的形态与体积，判断腔体的形态与有效储气空间。稳定性评价是在声呐测试的腔体形态基础上，模拟腔体在实际注采工况下的应力应变分布，以判断腔体是否结构稳定。通过水试压测试、气密封测试、声呐测试、稳定性评价合格的老腔，可进行下一步老腔改造施工。

4.3 老腔改造技术

老腔改造技术包括：①井筒改造技术。已有老腔通常存在套管变形及腐蚀严重、固井质量差、密封条件差、井筒注采吞吐量小等问题，不具备直接转为注采气井的条件，目前常采用全井套铣和封老井钻新井这两种方案对老腔进行改造。②腔体修复技术。若老腔形态不规则，部分层段存在进一步溶腔空间，可采用天然气回溶修复技术。该技术是将天然气当做阻溶剂从井筒环空注入，并将气水界面控制在腔壁不规则段以上，之后通过注水与排卤进行进一步溶腔。使用该技术可对不规则造腔形状进行修复，提升腔体的有效储气空间，进一步提高腔体的稳定性。

腔体修复技术不仅可用于老腔修复，也可用于新腔的腔壁修复与天然气存储。该技术使用天然气作为阻溶剂，相当于在造腔过程中同时存储了部分天然气，提前进入了投产运行阶段。因此应用前景较为广泛。金坛盐穴储气库采用该技术进行盐腔形态修复，效果良好[12]。

5 储气库运行及监测技术

保障运行安全是储气库运行的头等大事，需科学合理布置监测网络，建设多方位、全角度的监测技术体系，及时发现、控制可能存在的隐患风险，才能从根本上保障储气库的运行安全。通过吸收总结国外储气库安全运营与监测经验，并在金坛储气库部署实施，目前已形成包括腔体完整性测试、腔体形态检测、温度压力与流量监测、地面沉降监测和微地震监测等技术在内的监测体系，形成了覆盖地下、井筒和地面的监测与完整性管理体系，保障了盐穴储气库的运行安全。

5.1 腔体完整性测试技术

盐腔的完整性测试主要是测试盐腔的密封性，完整性测试分造腔前和造腔后两个阶段，造腔前测试如果不发生地层漏失，才可以开始造腔。造腔后的完整性测试主要观测盐腔的密封性，如果达到密封要求才可以注气排卤实施储气过程。完整性测试的主要方法是以氮气为试压介质，通过下入双层测试管柱，检测测试期间气体的泄漏量来评价腔体的密封性。在试验过程中，将定期添加少量氮气，在井口监测气量变化。如果盐腔内的氮气与卤水的界面可以较长时间内稳定在一个位置上，则说明该溶腔具有较好的密封性，可以开始进行储气库的注气投产。

5.2 腔体形态检测技术

造腔过程中定期检测盐腔形态，有助于及时调整施工参数来控制腔体的形态，使腔体达到设计的要求。储气库运行投产过程中由于压力不断变化，会导致盐层发生蠕变而使盐腔体积缩小。因此在水溶造腔和投产运行过程中，每隔一定周期均需要对盐腔进行声呐检测。

腔体形态检测目前广泛采用声呐检测技术。声呐检测技术的主要原理是声呐设备下入腔体中，向腔壁发射定向声波，声波经腔壁反射后再被声呐仪接收，经过分析计算后可以得出仪器距腔壁的距离，声呐仪旋转一周可以测量该深度上盐腔半径的变化情况，不断改变声呐仪下入的深度就可以全方位了解盐腔的三维空间形态。

5.3 温度、压力与流量监测技术

井口与井下的温度、压力与流量监测，可为盐腔PVT模拟、库容参数估算与核实、盐腔完整性评估、盐岩蠕变率计算等提供基础数据。法国EDF公司采用NARMA数学模型[13]，基于历史长期的温度、压力与流量监测，可实现未来一段时间内的高精度温度、压力与流量预测，并实现腔体泄漏报警、优化注采气方案、地面压缩机功率参数优化等功能。

5.4 地面沉降监测技术

盐穴储气库长期注采过程中产生的盐岩蠕变会导致腔体体积收缩，有可能会引起地面沉降。通过部署地面沉降监测点网络并长期跟踪监测，可预测盐穴储气库的腔体收缩情况、评估地面沉降幅度，防止地面沉降对地面建筑物造成危害。金坛盐穴储气库部署监测井[14]10余口，监测结果显示地面沉降速率符合规定，未对地面设施造成影响。

5.5 微地震监测技术

微地震监测有助于提前预警大规模坍塌事件发生、理解盐腔夹层坍塌与腔体坍塌机理。不管是渐进还是突然发生的岩石失效坍塌活动，在发生大规模坍塌前，常伴有大量微裂缝活动事件。部署微地震监测网络进行实时监测，有助于在腔体发生大规模坍塌前，捕捉到大量微地震活动事件，提前预警可能发生的坍塌事件，降低腔体失效坍塌造成的风险。

通过分析微地震数据（震源位置、震源机制解），可确定发生微地震活动裂缝的大致位置、裂缝类型（剪切、拉伸、压缩），进一步加深对坍塌机理的理解。罗马尼亚某采卤场为了控制某盐腔顶板坍塌的过程，提前部署了微地震监测系统，监测到2 300余次微地震时间，分析了该工艺对应的顶板坍塌机制[15]。金坛储气库目前已开展微地震监测先导性实验。

6 矿场应用实例

江苏金坛地下储气库是我国第一座盐穴储气库，作为国内首个在多夹层层状盐岩复杂地质条件下建设的储气库，针对造腔中存在的形态控制难、稳定性要求高等难题，通过选址评价、造腔设计与控制、稳定性评价、老腔改造利用、监测体系部署等关键技术攻关突破与矿场应用，完成了金坛储气库可行性研究和初步设计，指导了施工建设，取得较好的现场效果。

1）选址与评价。金坛盐穴储气库建库层段位于古近系阜宁组四段，盐层厚度介于100～240 m，顶部埋深介于800～1 200 m，盐岩品位超过80%，稳定发育10套泥岩夹层。经过三维地震勘探与解释，结合地面情况，确定库区面积为11.26 km2。

2）造腔设计与控制。金坛储气库采用单井单腔造腔方式，造腔采用Ø177.8 mm＋Ø114.3 mm管柱组合，正循环建槽，反循环建腔，采用柴油做顶板保护液。单腔有效体积约为25×104m3。在实际造腔过程中，根据声呐测腔形态，反推提高了造腔地质参数精度，实时调整了造腔工艺参数，腔体形态得到了较好控制。

3）稳定性评价与库容参数优化。通过现场取芯、开展室内实验，获取力学参数及蠕变准则。结合数值模拟，优化设计运行压力区间，设计运行压力介于7～17 MPa，应急采气下限压力为6 MPa。设计总注气能力为900×104m3/d，总采气能力1 500×104m3/d。目前金坛储气库平稳安全运行，腔体收缩率等各项指标符合预期。

4）老腔改造。以声呐检测、稳定性评价为基础，井筒改造技术为手段，形成盐穴储气库老腔评价及改造技术。金坛盐穴储气库成功改造5口老腔，形成工作气量0.55×108m3。

5）运行与监测。金坛储气库已部署实施温度、压力、流量监测、地面沉降监测、腔体形态监测、腔体完整性监测、微地震监测系统，在10年的运行过程中未出现安全事故，保障了储气库的运行安全。

金坛盐穴储气库地处长江三角洲天然气消费核心区，自2007年投产以来，已注采近百轮次，安全平稳运行10余年，目前工作气量约为6×108m3，累积采气量约为19×108m3，充分发挥了盐穴储气库注采灵活、短期吞吐量大的优势，在长江三角洲地区季节调峰、平衡管网压力、节假日应急等方面发挥了重要的作用。

7 结束语

依托金坛等盐穴储气库的前期评价、建设运行经验，目前国内已形成包括选址评价技术、造腔设计与控制技术、稳定性评价库容参数设计技术、老腔筛选及利用技术、气库运行及监测技术等在内的盐穴型储气库建库评价关键技术系列，解决了层状盐岩盐层展布不均、造腔机理复杂、造腔过程控制难、盐腔安全稳定运行、老腔改造利用等技术难题，有效指导了盐穴储气库的建库运行。

矿场应用实例证明，储气库运行指标与设计指标吻合率高，建库评价关键技术取得了良好的现场应用效果，将继续为同类储气库的建设提供理论支持与技术保障。

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