地下盐穴储气库气密封测试参数设计方法研究

于鹏亮

（北京普瑞浩特能源科技有限公司，北京 100012）

气密封测试旨在评价盐穴储气库的密封性能。盐穴储气库建造完成后必须进行气密封测试，以便判断盐穴储气库是否具备储气条件，同时确定其最终储气能力[1]。世界范围内普遍采用性能稳定的氮气作为检测介质，以便安全、有效地模拟极限条件下的天然气的泄漏情况[2]。若腔体状态完好，在采用氮气作为检测介质时，气液界面处的注水压力与氮气压力始终保持平衡状态。据此，可以对气密封测试过程中的主要参数[3]进行设计和优化（见图1、图2）。

图1 气密封测试原理图Fig.1 The testing schematic for gas tightness test

1 平衡方程

假设腔体状态完好，则在气密封测试过程中，腔体所承受的压力始终远小于地层破裂压力，因而腔体在此过程中只发生弹性变形和蠕变两种形变[4]。

而在注入卤水过程中，套管鞋处的压力：

式中：Pb-井口预升压卤水压力，MPa；ρb-预升压所用卤水密度，kg/m3；Hcs-套管鞋深度，m。

而在注气过程中，要使氮气替换卤水占据位置，则气液界面处气、液压力必须达到平衡，因此有：

式中：h-界面深度，m；PN2-井口氮气压力，MPa；ρ¯N2-氮气柱的平均密度，kg/m3。

其中：

图2 气密封过程中盐腔形变示意图Fig.2 The simple diagram of deformation for cavern during the gas tightness test

2 主要参数设计方法

2.1 井口卤水压力

日常操作时，套管鞋处的许用压力，称之为最大操作压力或MOP[5-7]。最大操作压力与地层的破裂压力梯度和许用系数有关：

式中：α-许用系数，通常取0.8～0.85；Gpa-地层破裂压力梯度，MPa/m；Hcs-套管鞋深度，m。

理想情况下，应泵注卤水使套管鞋处的压力等于MOP，并使测试过程中套管鞋处的压力保持在MOP 的1～1.2 倍之间。设计时，可取：

根据现场卤水密度联立方程，即可求得合理的井口卤水压力设计值。

2.2 注入卤水体积

不考虑测试过程中盐腔继续发生溶解作用，设：ΔP-增压幅度，MPa；V0-盐腔初始体积，m3；ΔV-预升压卤水的注入体积，m3；ΔVc-蠕变造成的闭合量，m3；ΔVe-升压过程中弹性变形导致的体积增量，m3。则有：

其中：

式中：ε-盐腔的闭合速率，d，可通过对比二次声呐测试间腔体不溶部分的体积变化量进行计算；t-声呐测试结束至完成卤水加注所需的时间，d；K-岩盐的体积模量，其与弹性模量、泊松比存在如下关系：

式中：E-岩盐弹性模量，MPa；μ-岩盐泊松比，无量纲。则有：

2.3 注气量

根据平衡方程，先求得注气完成后的气液界面位置h。

根据气液界面位置，依据腔颈声呐测试数据，确定氮气柱所占体积Vh，并依据气体状态方程求得地面注气量。

式中：ZN2-井下平均压力条件下的氮气压缩系数，无量纲。

注气完成后，氮气与地层、卤水间发生热交换并渐趋稳定。过程中，井筒中的氮气发生热膨胀，其所占据的体积相应增加，气液界面随之下降。同样可依气体状态方程，求得热稳定后氮气柱所占体积，及与之对应的气液界面位置h'。

3 现场应用情况

某盐穴储气库群二期共建成地下盐穴储气库井4口，套管鞋位置均为1 120 m，地层破裂压力梯度为2.064×10-2MPa/m，操作压力安全系数取0.85，各腔的平均闭合速率约为2.560×10-4/d，声呐测试结束至完成卤水加注时间通常为10 d，岩盐平均弹性模量为2.823×104MPa，泊松比为0.31，其气密封测试设计参数与实际参数对比（见表1）。从表1 统计结果来看：对于腔体完好的盐穴储气库井，该方法设计误差相对较小。而若腔体存在缺陷，气液界面处的平衡状态被打破，则设计误差相对较大。但总体而言，该方法能够较为准确地反映实际测试情况[8，9]。

表1 某盐穴储气库气密封测试参数统计对比表Tab.1 Comparison of the design and actual parameters for the caverns in a UGS project

4 认识与建议

（1）该设计方法简单易行，能够较为准确地反映现场实际情况，节约测试准备时间和成本。

（2）实际测试过程中，由于盐穴储气库可能存在固井质量、裂隙、气层等各种缺陷或问题，因而各主要参数应当结合实际情况进行保守或冗余设计，以便为测试过程留出足够的调整余地。

（3）为提高计算精度，设计中可参考机械完整性测试或同工区其他井气密封测试的压力、温度等实测数据。