国内盐穴储气库老腔利用现状及展望

2020-08-08巴金红康延鹏姜海涛周冬林焦雨佳李锐敏任众鑫齐得山闫凤林

石油化工应用 2020年7期

巴金红，康延鹏，姜海涛，周冬林，焦雨佳，李锐敏，任众鑫，齐得山，井岗，闫凤林

（1.中国石油天然气股份有限公司盐穴储气库技术研究中心，江苏镇江 212002；2.中国石油西气东输管道公司，江苏南京 210000）

与其他类型的储气库相比，盐穴储气库具有以下特点：（1）单个的盐腔即可实现注采气功能，因此气库可以边建设边投产，单个盐腔在完成注气排卤后即可发挥注采气作用；（2）盐穴储气库垫底气占库容的比例较低，为库容的三分之一左右，最高时为油气藏型储气库垫底气占比的一半左右，垫底气投资相对较低并且在必要时盐穴储气库垫底气可以完全回收；（3）盐穴储气库可以实现一年多周期注采，平衡期非常短甚至可以说不存在平衡期，金坛储气库从注气切换到采气状态最快只需要3 h，年度内的注采气量远远超过设计的工作气量；（4）盐穴储气库的存储空间均为独立的单个盐腔，能够成为单个盐腔的前提是腔体的密封性能完好，包括盐层和夹层。因此，盐穴储气库盐腔几乎不存在传统意义上的天然气损耗，天然气的损耗仅仅发生在地面管线输送过程中并且很低；（5）与油气藏等储气库相比，盐穴储气库注采气通道更为连续通畅，从盐腔到井下管柱构成一个有机的整体，单个盐腔注采气能力大并且采气能力不存在采气末期逐步衰减的现象[1]。

虽然盐穴储气库具有其他地下储气库不具备的众多优点，但是盐穴储气库无论是在国外还是国内具备的规模都非常小、占比都非常低。盐穴储气库的建设构想最早是由德国人在1916 年提出的，1959 年苏联建成了世界第一个盐穴地下储气库。随后，欧美等国家相继开启了盐穴储气库的建设征程，在20 世纪70～80 年代达到建设高峰期。截至目前，全世界共有100 多座盐穴地下储气库，工作气量达到360×108m3左右，只占到全世界地下储气库工作气量的9 %左右[1]。

中国的盐穴储气库建设从2000 年左右开始，也是从中石油的江苏金坛盐穴储气库的建设开始的，到现在将近有20 年的发展历程。截至目前，有且仅有江苏金坛地区开展了盐穴地下储气库工程建设并且形成一定的库容和工作气量，包括中石油金坛储气库、中石化金坛储气库、港华金坛储气库。中石油金坛储气库设计库容26×108m3、工作气量17×108m3，形成库容10×108m3、工作气量7×108m3；中石化金坛储气库设计库容11.79×108m3、工作气量7.23×108m3，形成库容1×108m3、工作气量0.6×108m3；港华金坛储气库设计库容10×108m3、工作气量6×108m3，形成库容1.5×108m3、工作气量0.88×108m3。国内三座盐穴地下储气库设计总库容47.8×108m3、总工作气量30.23×108m3，形成总库容12.5×108m3、总工作气量8.48×108m3，仅占全国地下储气库工作气量的7 %左右。

究其原因，主要存在以下几个方面的问题：（1）国外盐穴储气库的建库地质条件虽然总体上相对国内较好，很多都是在盐丘中建设的并且有些盐穴储气库临近海边、具有得天独厚的卤水排放渠道可以大大加快盐穴储气库的建设速度、缩短建设周期，但是盐穴储气库的建设成本还是相对较高。据一些统计资料显示，国外盐穴地下储气库单方工作气投资能够达到油气藏型地下储气库的3～8 倍；（2）国内虽然盐矿资源丰富，但是适合建设盐穴地下储气库的并不多。通过对中国地下盐矿特征及盐穴建库地质评价研究发现，国内含盐系地层基本为陆相沉积，盐类物质由地表水或地下水携带进入内陆盆地蒸发沉积形成矿床，普遍存在矿层层数多、单层厚度薄、累积厚度薄以及夹层多等特征，以层状岩盐为主。另外，还有些岩盐埋深较深，有的埋深能够达到数千米。不利的地质条件导致很多地方不具备建设盐穴储气库的条件，即使具备建设条件也会大大增加投资，经济效益较差；（3）储气库投资效益回收通道尚未建立、市场机制暂未形成是储气库建设速度缓慢的又一重要影响因素，油气藏型储气库大都归属于中石油、中石化，在未形成价格机制以前可以通过与管道绑定、在管输费中体现的方式实现一定储气费价值，而盐穴储气库的建设由于矿权归属地方盐矿的原因，今后将主要依赖地方政府、盐矿、燃气公司承担建设，投资回收渠道不明、价格市场机制未形成对地方政府、盐矿以及燃气公司的投资积极性产生极大影响，大大延缓了盐穴储气库的建设步伐，也降低了盐穴储气库在国内储气库中的占比，随着近期国家关于调峰储气设施建设各项配套政策的推进与落地，这种情况将很快得到改善。

为此，不断优化盐穴储气库建设工艺设计、创新盐穴储气库建设思路、探索盐穴储气库建设新工艺新技术以及研究与储气库商业化运营配套的各项政策与机制，从而加快盐穴建设周期、降低盐穴储气库建设投资、提高各方建设盐穴地下储气库的积极性，是推动国内盐穴储气库建设迈向新台阶的重要举措。国内井矿盐开采历史悠久，在采卤制盐的过程中形成了大量的老腔闲置，老腔利用即是一个既能加快盐穴储气库建设周期，又能降低盐穴储气库建设成本的最有效的途径。

1 老腔利用现状

图1 金坛盐矿采卤制盐形成的老腔分布图（2005 年）

1.1 单井单腔老腔

单井单腔类型老腔改造利用是伴随着原中石油金坛储气库的建设开始的，原中石油金坛储气库位于江苏省常州市金坛区直溪镇金坛盐矿，金坛盐矿矿区面积60.5 km2，矿石储量162.42×108t，氯化钠储量125.38×108t，盐盆有茅兴矿、茅溪矿、赵家棚矿、新金冠矿、岗龙矿5 个盐业开采矿区，矿权均归属于中盐金坛盐化有限责任公司，年生产规模约为300×104t。1988 年第一口盐井-茅1 井开始采盐，到现在积累了大量的老腔。2005 年，中石油在对金坛盐矿老腔全面调研的基础上，制定了一整套老腔筛选评价利用的程序对金坛盐矿43 口老腔进行了逐一筛选（见图1），最终选择6 口老腔进行了改造利用（其中5 口投入注采气生产、1 口作为观察井使用），形成腔体净体积共计72×104m3左右，库容大约8 900×104m3，工作气约5 000×104m3。2012 年，金坛港华燃气公司再次利用中盐老腔三个，形成腔体体积50×104m3，库容7 000×104m3，工作气4 000×104m3。目前，中盐正在对其他老腔进行筛选评价，计划继续改造利用老腔。

单井单腔类型老腔改造利用的关键技术路线是：（1）筛选。从地质条件来看，需具备良好的盖层、邻近断层及裂缝发育少、规模小等；从腔体条件来看，需具备一定的腔体体积以满足经济性要求、与邻近腔体之间满足安全矿柱要求、腔体之间无串通、具备一定厚度顶板；从地面条件来看，井口与周围建筑物等满足安全距离要求。（2）评价。包括密封性评价和稳定性评价。（3）改造。对老腔原有井筒进行套铣，按照储气库标准重新下入完井管柱。

1.2 对接连通老腔

国内盐矿资源丰富，塔里木盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地、苏北盆地、江汉盆地等地方都有储量丰富的盐矿资源。但是，采取金坛盐矿单井单腔的方式进行采卤制盐的盐矿非常少，有些盐矿早期有些零散的单井单腔，现在都普遍采用对井连通方式进行开采，并且以定向水平对接连通井的开采方式为主（见图2）。对井连通开采主要有以下几个优点：（1）经过较短建槽期就可以返出高浓度卤水；（2）产能大幅提高，一组水平对接井产能是一对直井产能的2～4 倍；（3）井下事故极少，卤水井生产修井处理费用大幅降低；（4）自下而上逐层开采，服务年限较长；（5）最大限度利用矿区岩盐资源，采收率较高，经济效益较好[2，3]。

2017 年，原中石油金坛储气库在江苏淮安开展了对接连通老腔改造利用工程试验研究。首先通过对盐矿历史采卤生产数据的分析初步筛选出体积较大并且顶板未被溶蚀的对接连通老腔，然后通过修井和测井进一步筛选出井筒条件较好、便于后续声呐仪器下入进行声呐检测的对接连通老腔，最后进行声呐检测确定腔体的体积与形状[4]。由于定向水平对接连通井井距较大，当从其中一口井注水、另一口井采卤时，卤水在流经定向水平通道前或者一部分后就达到饱和。因此，在开采初期，溶蚀只发生在两口井周围40 m～50 m 范围，水平连接通道几乎无法被溶蚀，在后续的开采过程中也一直如此，而两口井分别由于不溶物沉渣导致腔体底部逐步抬升。因此，对接连通的两口井的声呐检测结果是只检测出直井和定向井井眼周围、距离钻井初始井底200 m 处的腔体的体积与形状（见图3、图4），也再次验证了对接连通井井距较大时，两口井之间的连通通道几乎不被溶蚀，盐矿企业最初设想通过水平对接连通实现自下而上分层开采、最大程度利用矿区岩盐资源的想法无法实现，需要找到井距的临界值从而优化钻井实施。

对接连通老腔的改造利用暂时还没有完整的工程实践案例，但是改造利用的思路已经基本清晰，除应用单井单腔老腔筛选评价及改造利用技术之外，需要重点考虑的是注气排卤工艺。目前大致上有这么几种方案：在两口对接连通老腔之间再钻一口新井与水平连通通道相连，如果钻井过程中井眼与水平通道有一定的偏差，可以对新井溶蚀一段时间使之与水平通道相连，然后从两口老腔同时注气，重新钻井排卤[1]；对原有的两口对接连通老腔直接进行套铣，分别进行注气排卤；封堵原有两口老腔，分别钻两口新井与两口老腔连通，进行注气排卤[5-9]。方案可以根据技术经济对比取舍。

2 老腔利用发展方向

图2 盐矿对接连通开采方式示意图

图3 盐矿对接连通井组三维形态示意图（正视图）

图4 盐矿对接连通井组三维形态示意图（俯视图）

国内盐矿资源丰富，岩盐开采历史悠久，分布有大量的井矿盐开采企业，经过几十年的开采已经形成大量的老腔。经过初步统计，仅江苏淮安、江苏楚州、江苏定远、江苏泰安、江苏丰县、湖北应城、湖北云梦、平顶山叶县、平顶山舞阳、云南安宁、江西樟树等地就有500 口以上老腔。老腔是加快盐穴储气库建设步伐、降低盐穴储气库建设投资、提高盐穴储气库经济效益的最直接最有效的途径，如果国内盐矿采盐形成的老腔能够得到充分利用，按照1 口井保守10×104m3计算，就可以在很短的时间内形成5 000×104m3腔体体积，原中石油金坛储气库全部建成形成腔体体积1 340×104m3，已有老腔的体积将近5 个金坛储气库。但是，国内老腔改造利用成功的只有金坛的10 口老腔，主要原因是国内很多老腔由于开采时间较长、盐矿企业追求资源的最大化利用等原因，很多老腔之间都已经串通，甚至连成一片（见图5），有的是几个单井单腔连通、有的是压裂连通、有的是水平对接连通后开采过程中再与其他井相连通，无法像金坛盐矿的单井单腔那样改造利用。但是，类比于油气藏或者水层储气库，他们有个共同点：在既定的某个区域范围内，整体上是圈闭的。不同的是：油气藏储气库是由油气藏改建而来，在改建前已经知道具备良好的密封性，不需要进一步探索；而连通的腔群虽然在刚开始还是独立的单井或者对接井时是密封性能良好的，但是在后续的溶蚀过程中发生了变化，需要进一步研究，只要区域范围内不存在大的断层或者发育的裂缝等就有极大的可利用性。因此，国内老腔利用需要进一步向着腔群整体利用的方向发展，开展相关理论研究及现场工程试验研究。