鹽穴地下儲氣庫氣密封檢測技術

摘 要

摘要：建設鹽穴地下儲氣庫是一項高風險的復雜工程，對鹽穴的氣密封性有著很高的要求，其密封性檢測技術就成為評價建庫工程成敗的關鍵。為此，分析了中國建設鹽穴地下儲氣庫的特殊性
摘要：建設鹽穴地下儲氣庫是一項高風險的復雜工程，對鹽穴的氣密封性有著很高的要求，其密封性檢測技術就成為評價建庫工程成敗的關鍵。為此，分析了中國建設鹽穴地下儲氣庫的特殊性(鹽穴儲氣庫的鹽層具有礦層層數(shù)多、單層厚度小、夾層多、含鹽品位低、共生組分多和相變大等特點)，指出了建設鹽穴地下儲氣庫工程發(fā)生天然氣泄漏的主要影響因素(井筒工程因素、地質因素和地面設備因素)，重點論述了建設鹽穴儲氣庫鉆完井井筒密封性檢測技術、水溶造腔過程中腔體的檢測技術、首次注氣排鹵前鹽穴完整性氣密封檢測技術和鹽穴地下儲氣庫運行后的評估檢測技術。以上技術具有氣密封性檢測精度高、工期短、能耗低、工序簡化及節(jié)省投資等特點，對我國正在建設和今后準備建設的鹽穴儲氣庫工程具有參考和借鑒作用。
關鍵詞：天然氣儲備；鹽穴地下儲氣庫；密封性檢測；天然氣泄漏；檢測技術
    鹽穴地下儲氣庫是根據(jù)水溶鹽巖采鹵原理，通過淡水置換和人工控制的方法，在地下形成一定體積的溶腔作為存儲空間。鹽穴地下儲氣庫除可以儲存天然氣外，還可用以儲存液態(tài)原油、成品油、氫氣和C02等其他類型氣態(tài)產(chǎn)品[1]；在人口稀少的地區(qū)還可以利用鹽穴進行深層封存放射性工業(yè)垃圾和核廢料等。因此，建設鹽穴地下儲氣庫是一項高風險的復雜工程，對鹽穴的氣密封性有著很高的要求，而鹽穴儲氣庫密封性檢測技術就成為評價建庫工程成敗的關鍵。國外已經(jīng)建設投入運營的鹽穴儲氣庫有74座，占全球地下儲氣庫總量的11.7%[2]。各國都十分重視鹽穴儲氣庫的氣密封性檢測，以確保高風險儲氣工程的安全。
    中國江蘇地區(qū)建設鹽穴儲氣庫的實踐經(jīng)驗表明，在整個建庫系統(tǒng)工程中，鹽穴儲氣庫的氣密封檢測包括4項關鍵技術：①完井套管井筒密封性檢測技術；②水溶造腔過程中腔體檢測技術；③首次注氣排鹵鹽穴完整性氣密封檢測技術；④鹽穴儲氣庫運行后的評估檢測技術。
1 中國鹽穴地下儲氣庫的特殊性
1.1 鹽巖層狀分布，厚度小，夾層多，含鹽品位低
    中國利用層狀鹽巖體建設鹽穴儲氣庫取得重大進展。由于東部地區(qū)的成鹽期主要在印支運動后期，地層結構為內陸湖相沉積鹽巖地層，幾乎全部屬于水平層狀結構地層，鹽層具有礦層層數(shù)多、單層厚度小、夾層多、含鹽品位低、共生組分多和相變大等特點。
    由于層狀鹽巖與國外鹽丘的結構特點不同，故中國鹽穴儲氣庫的設計也和國外的設計不盡相同。國外在鹽丘中建庫，溶腔埋深比較靈活，腔體體積達到幾十萬甚至上百萬立方米，溶腔呈“氧氣瓶”狀的理想形態(tài)。而中國在層狀鹽巖中不宜建設埋深較大的氣庫，因腔體高度受到地質條件的限制，溶腔體積一般為10×104～20×104m3，溶腔的形態(tài)為橢球形。
    江蘇地區(qū)正在建設的鹽穴儲氣庫，其鹽層單層厚度介于20～50m，累計厚度約為200m，夾層占鹽層總厚度的10%～15%，含鹽品位為50%～80%。建庫工程采用垂直硐室結構方案，水溶造腔過程中要穿越多個泥質夾層，因此，注采氣井的生產(chǎn)套管、生產(chǎn)套管鞋附近及套管固井質量的氣密封性就成為建庫工程泄漏風險的關鍵控制點。
1.2 鹽穴儲氣庫氣密封檢測工程質量要求高
   鹽穴儲氣庫的運行不同于其他孔隙型地下儲氣庫。儲氣庫既是很好的儲氣場所，又是很方便的供氣“氣源”。從注氣期開始到注入的天然氣充滿儲氣庫，儲氣庫的運行壓力從下限壓力提升到上限壓力；供氣時到采氣期結束，全部采出氣庫內的工作氣量，儲氣庫的運行壓力從上限壓力下降到下限壓力附近，這樣的1次注采氣升降壓過程，稱為儲氣庫運行周期。孔隙型地下儲氣庫受地質滲流條件的限制，主要發(fā)揮季節(jié)性調峰的作用，一般每年運行1～2個周期。而鹽穴儲氣庫由于是地下洞穴狀態(tài)，可以發(fā)揮應急和用氣高峰調峰的作用，根據(jù)安全運行設計方案和供氣需求，每年可以運行8～10個周期。
   因此，多周期注采運行使得儲氣庫長期處于反復交變載荷的變化過程當中，這對于鹽穴腔體結構的完整性、注采氣井的密封性與穩(wěn)定性都提出了更高的技術要求。
1.3 儲氣庫天然氣泄漏的主要影響因素分析
   地下儲氣庫最主要的危險就是其儲存的天然氣發(fā)生泄漏。
   鹽穴儲氣庫可能發(fā)生天然氣泄漏的主要風險因素有井筒工程因素、地質因素和地面設備因素等[3]。儲氣庫天然氣泄漏的方式主要表現(xiàn)為：①天然氣從注采氣井的套管漏失或從注采氣井套管固井膠結面上竄漏失；②天然氣從蓋層(斷層)漏失；③鹽穴受交變載荷的影響，儲氣庫壓力降低后，頂板或腔壁完整性受到破壞，導致天然氣漏失；④天然氣從地面設備和管道處漏失。目前儲氣庫所發(fā)生的天然氣泄漏事件，大多數(shù)是由于井筒工程原因而導致天然氣從注采氣井的套管或注采氣井套管固井膠結面上竄漏失的。
2 建設鹽穴儲氣庫的密封性檢測技術
2.1 完井井筒氣密封性檢測
    完成生產(chǎn)套管固井且經(jīng)工程測井反映固井質量合格或優(yōu)良后，還必須通過全井筒氣密封性實驗來檢查生產(chǎn)套管的技術狀況、固井的氣密封性以及生產(chǎn)套管鞋附近的氣密封狀態(tài)，從而確定該井是否可以開始水溶造腔并適用于未來的儲氣運行。
    總結國外實踐經(jīng)驗得知，在利用氮氣作為造腔頂板隔離保護介質的前提下，井筒密封性檢測技術宜采用完井套管檢測一造腔聯(lián)作一步完成法。生產(chǎn)套管完井后，按照施工作業(yè)程序下入造腔管柱代替測試管柱，將造腔頂板隔離保護介質氮氣從生產(chǎn)套管與造腔管柱環(huán)形空間注入，氮氣到達生產(chǎn)套管鞋以下部位，保證生產(chǎn)套管全部充滿氣體。保持溫度平衡后，繼續(xù)補充注氣，使套管鞋處壓力達到儲氣庫設計的運行上限壓力試壓8～10h，壓力保持穩(wěn)定則表明檢測合格。生產(chǎn)套管井筒密封性檢測合格后，直接利用測試氮氣作為造腔頂板隔離保護介質開始造腔。
    完井套管檢測一造腔聯(lián)作一步完成法的主要優(yōu)點為：①檢測氣體介質與造腔頂板隔離保護介質共用；②井筒密封性檢測與井下造腔管柱施工聯(lián)合作業(yè)一次完成，檢測精度滿足作業(yè)要求，降低了能耗，簡化了工序，縮短了工期，節(jié)省了投資。江蘇地區(qū)建設鹽穴儲氣庫，實施了15口新完鉆井造腔工程前期全井筒氣密封實驗，有1口井因為氣密封檢測不合格而放棄繼續(xù)水溶造腔施工。
2.2 水溶造腔過程的腔體檢測
    鹽穴水溶造腔作業(yè)實施過程中，根據(jù)設計方案，在造腔的不同階段檢測鹽穴腔體的發(fā)展變化、腔體形態(tài)特征和幾何體積變化等是否達到設計標準。
    水溶造腔過程腔體檢測的核心技術是成功應用了聲吶探測技術。利用聲吶探測結果與造腔模擬計算，可以獲得常壓或高壓條件下鹽穴內部結構的動態(tài)特征，實時分析腔體有效容積、基本尺寸和形狀等動態(tài)變化參數(shù)，檢測水溶腔體是否出現(xiàn)頂板、夾層崩落或腔體垮塌等現(xiàn)象，優(yōu)化造腔每個溶蝕階段的注排鹵流量、循環(huán)方式和造腔管柱上提位置等，從而排除造腔過程中地質不確定因素可能造成的傷害，檢查、控制水溶腔體的完整性，進而確定該井是否符合儲氣庫設計規(guī)范并適用于未來的儲氣運行。
2.3 鹽穴完整性氣密封檢測
    鹽穴完整性氣密封檢測是造腔結束后，在首次注氣排鹵之前實施腔體完整性密封試驗的關鍵性技術，通過檢驗腔體的完整性及生產(chǎn)套管鞋附近的氣密封性是否達到設計標準來排除造腔過程中可能造成的傷害，檢查鹽穴是否滿足安全運行工作壓力區(qū)間的設計要求，從而確認其是否具備儲存天然氣的能力[4]。
    該技術的應用目前在國外主要以北美、歐洲地區(qū)為代表，都采用了API推薦的密封檢測方法原理，井筒下入測試管柱進行注氣承壓實驗，但2個地區(qū)密封性檢測評價標準卻不同：北美地區(qū)API檢測方法的評價標準為24h測試時間內氣水界面深度變化小于1m；歐洲地區(qū)的Geostock檢測方法則根據(jù)泄漏率與時間的關系曲線和泄漏率的絕對值來對鹽腔密封性進行評價。
    在國內，鹽穴地下儲氣庫完整性氣密封檢測技術則綜合了國外API檢測方法和Geostock檢測方法，采用注采氣生產(chǎn)管柱(排鹵時插入中心排鹵管柱)代替測試管柱，利用儲氣庫儲存介質(天然氣)作為鹽穴整體氣密封檢測介質，向生產(chǎn)套管與注采氣生產(chǎn)管柱環(huán)形空間注入天然氣至生產(chǎn)套管鞋以下10m，保證生產(chǎn)套管井筒至生產(chǎn)套管鞋全部充滿氣體，待測試注氣頂替鹽鹵后腔體整體溫度平衡后，繼續(xù)補充注入天然氣，使套管鞋處的壓力達到儲氣庫的設計運行上限壓力，進行腔體完整性試壓，測試氣水界面深度，記錄井口檢測儀表數(shù)據(jù)，錄取地質工程資料，24h連續(xù)測壓。氣密封檢測評價的標準為：①計算氣水液面隨時間的變化關系，要求其趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后變化率小于氣體壓縮體積；②鹽穴整體(腔體內部、井筒)承壓達到儲氣庫允許的最高上限壓力且保持穩(wěn)定，壓降為零。鹽穴儲氣庫完整性氣密封檢測合格后，可以投入注氣排鹵，進行完整性檢測的第二步：施工下入中心排鹵管柱，繼續(xù)向鹽穴中注氣，同時排出鹽穴體積內的鹵水，剩余鹵水與天然氣界面的深度依設計而定，同時建立鹽穴內最小壓力并保持在設計要求的精度下，測量鹽穴蠕變閉合值，將測量結果與設計預測的蠕變閉合值對比(從中可以看出預測及測量的結果僅在壓力釋放的初期有所不同，之后兩者的對應關系非常好)。對于鹽穴長期閉合率的確定以最小內部壓力測量為準。
    經(jīng)過上述檢測，確認鹽穴滿足安全運行工作壓力區(qū)間的設計要求，具備儲存天然氣的能力，開始用于儲氣庫注采氣運行。
3 鹽穴儲氣庫運行后的評估檢測方法
3.1 鹽穴儲氣庫腔體密封性檢測
    鹽穴儲氣庫投入運行后進行注氣和采氣時，溶腔內部的壓力和溫度在最大值和最小值之間變化。在溫度和壓力的作用下，鹽巖的流變性導致鹽穴發(fā)生塑性變形，從而逐漸減少了溶腔的體積，這種鹽穴腔體蠕動閉合是隨時間而變化的。腔體的完整性決定了儲氣庫的最高運行壓力，因為在合理的運行壓力及溫度條件下，鹽巖體形變后不會產(chǎn)生裂縫。但是鹽穴儲氣庫的多周期長期運行會產(chǎn)生變形條件，鹽穴受交變載荷作用力的影響，可能會出現(xiàn)鹽穴頂板鹽體崩落或垮塌的現(xiàn)象。當儲氣介質開始向圍巖介質漏失之時就是儲氣腔體廢棄之日。因此，鹽穴儲氣庫的運行監(jiān)測是投入運營后的重要工作。
    目前最為常用的儲氣庫運行監(jiān)測技術就是聲吶探測技術，其次還有井下探測技術和熱力學技術等。聲吶探測技術結合井下實時探測技術可評價鹽穴內部的壓力、溫度變化及熱力學特性。聲吶探測技術是在充氣的高壓溶腔內進行的，高壓溶腔聲吶探測不同于常規(guī)方法，在氣體密度較大時工作效果最佳，傳感器信號響應比較明顯，聲吶探測范圍更大。利用聲吶儀探頭可以垂直或水平旋轉傾斜360°測得腔體資料，繪制成二維及三維圖像，將分析結果進行模擬計算，可以獲得鹽穴儲氣庫運行周期內的壓降變化速度、應力大小、鹽穴蠕變速度和閉合度等動態(tài)變化數(shù)據(jù)，同時還可獲銅注采氣生產(chǎn)運行條件下鹽穴內部結構的動態(tài)特征及鹽穴受交變載荷作用力的影響程度。通過對比分析鹽定儲氣庫周期運行動態(tài)變化、預測鹽穴腔體密封性、定量分析鹽穴內鹽體崩落或垮塌發(fā)生的狀況，可為鹽穴儲氣庫的運行管理和風險預測提供科學依據(jù)[5]。聲吶攘測在儲氣庫運行初期通常要求每年測試1次，遇到特殊情況可增加測試次數(shù)，儲氣庫正常運行以后可以每2年測試1次。
3.2 鹽穴儲氣庫注采井密封性檢測
    鹽穴儲氣庫長期并多周期反復注采氣運行，會改變注采氣井及儲氣庫本身的溫度和壓力條件。長期交變載荷、溫度和壓力條件的改變，會對注采井井筒(特別是生產(chǎn)套管鞋部位)產(chǎn)生不間斷的周期性強烈作用，破壞套管和固井水泥環(huán)，從而導致天然氣從套管和套管外部環(huán)形空間漏失，并向鹽穴頂部地表漏失，直接擴散至大氣中造成泄漏。對儲氣庫運行過程中的漏氣狀況可采用測井方法來確定，自然伽馬、中子伽馬、感應中子和高靈敏井溫等測井系列技術是查明工程漏氣的有效方法。
    例如：高靈敏井溫測井技術就是首先利用原井溫測井資料作為參考值，通過重復測井將井溫曲線進行對比，發(fā)現(xiàn)井溫曲線異常帶，綜合其他資料從而判定鹽穴地下儲氣庫中自下而上漏氣引起的溫度異常，由此確定井筒漏氣狀況及漏氣部位。
    另外，溶腔的穩(wěn)定性和蠕變性對地面沉降的影響由遍布庫區(qū)地面監(jiān)測系統(tǒng)的測量點進行監(jiān)測，階段性地監(jiān)測任何可能出現(xiàn)的沉降現(xiàn)象。
4 結論
1) 鹽穴地下儲氣庫可能發(fā)生天然氣泄漏的主要風險因素有井筒工程因素、地質因素和地面設備因素。目前世界上所發(fā)生的地下儲氣庫天然氣泄漏事件大多數(shù)與井筒工程因素有關，造成天然氣從注采氣井的套管或生產(chǎn)套管固井膠結界面上竄發(fā)生漏失，應該引起建庫工程的高度重視。
2) 在建設鹽穴儲氣庫的不同階段全過程實施氣密封檢測，從而保障地F儲氣厙建設與運行系統(tǒng)的安全。鹽穴儲氣庫氣密封性檢測的關鍵技術包括：鉆完井井筒氣密封檢測、造腔后首次注氣排鹵前鹽穴完整性氣密封檢測以及鹽穴儲氣庫運行后的評估檢測。
3) 完井井筒密封性檢測采用鉆完井井筒套管檢測施工與造腔管柱井下施工聯(lián)合作業(yè)法，同時有效地利用造腔頂板隔離氣體介質進行鉆完井井筒氣密封檢測，從而確定該井是否可以開始水溶造腔。通過鹽穴完整性氣密封檢測，在水溶造腔結束后進一步確定該井是否可以適用于未來的儲氣運行。采用首次注氣排鹵施工與注采氣井下施工作業(yè)一步法，可有效地利用鹽穴儲氣庫將要儲存的氣體介質進行氣密封檢測。
綜上所述，鹽穴地下儲氣庫氣密封性檢測技術具有氣密封性檢測精度高、工期短、能耗低、工序簡化、節(jié)省投資等特點。
參考文獻
[1] 丁國生.全球地下儲氣庫的發(fā)展趨勢與驅動力[J].天然氣工業(yè),2010,30(8)：59-61.
[2] 鄭雅，趙艷杰.鹽穴儲氣庫國內外發(fā)展概況[J].油氣儲運，2010，30(8)：59-61.
[3] 丁國生，張昱文，李建中，等.鹽穴地下儲氣庫[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010.
[4] 李建中.利用巖鹽層建設鹽穴地下儲氣庫[J].天然氣工業(yè)，2004，24(9)：119-121.
[5] 李建中.石油戰(zhàn)略儲備的新領域——地下鹽穴儲庫[J].巖石力學與工程學報，2004，23(增刊2)：4787-4789.
 
(本文作者：李建中1 李奇2 胥洪成1 1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院；2.中國科學院滲流流體力學研究所)