反循环造腔技术在盐穴储库建腔中的应用探讨

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摘 要：为加快盐穴储库造腔进度，节约建腔成本，在建槽前期采用正循环获得一定不溶物底坑之后采用反循环方式进行造腔。在反循环造腔过程中，通过调整造腔管柱下深、垫层位置、注水量等参数对腔体形态进行控制，在确保腔体形态的基础上加快造腔进度。经过现场实践，反循环造腔技术在盐穴储库造腔中是可行的，满足现场造腔要求。

关键词：反循环造腔；造腔参数；造腔形态

1 概述

盐穴储库是当今国际能源储备和核废料处理的重要手段。

地下盐穴储气库的建立，对天然气的储存尤为重要，因为天然气是一种可燃的气体，一旦处理不当，极易发生危险。将地下储气库建于地下盐岩之中，基于这样一个最普通的现象：盐溶于水。具体过程为：在打成的盐井中，注入水形成盐卤，再将其抽出，不断注水，不断抽出，形成循环，逐渐形成地下溶洞，并用以储气。

地下储气库的建立，说起来简单，做起来并非易事。

盐穴储库造腔的注水循环方式有正循环和反循环两种，因注水水动力和浓度场分异的影响，两种循环方式在建腔速度和成本及腔体形状上均有差异：正循环卤水浓度低，建腔速度慢，建腔成本高，但腔体形状易控制；反循环卤水浓度高，建腔速度快，建腔成本低，但腔体形态不易控制。文章着重研究反循环方式造腔的可行性，对加快盐穴储库造腔进度，提高造腔效率具有重要的意义。

2 反循环造腔方式

盐穴储气库造腔过程是一个流体动力学、化学动力学、热动力学共同作用的结果，其实质是依靠腔体内卤水之间的浓度差实现浓度交换，直到各卤水层之间达到动态平衡[1-2]。

造腔过程中，腔体内的卤水浓度从上到下由低到高分布[3]。采用反循环方式，淡水出口接近造腔顶部，对腔体上部进行充分的溶解，溶解出的低浓度卤水可以通过浓度差和重力的作用以出口为中心向底部和四周传播实现浓度之间的交换，传播速度快，所以腔体顶部和侧面的溶蚀较快，且排出的卤水浓度高；采用正循环方式溶腔，淡水出口接近腔体底部，可以对溶腔底部进行充分溶解，高浓度卤水向上部低浓度卤水层传播速度慢，从而导致正循环溶腔溶蚀速度慢，排出的卤水浓度较低[4-7]。

正、反循环注水方式和腔体内浓度场分布决定了正反循环造腔形态的不同。在实际造腔过程中，由于腔体顶部采用垫层保护防止腔体上溶，受垫层影响，正循环易形成上部小，下部体积大的腔体，最大直径位于中间管和中心管之间，而反循环方式易形成上部大，下部小的锥形，最大直径通常位于垫层位置附近，造腔过程中典型的正反循环腔体形态如图1所示。

3 造腔基本情况介绍

为探寻反循环造腔技术在储库造腔中的可行性，选取江苏某地区1#井和2#井进行现场试验。拟通过在建槽期、建腔中期和建腔后期采用反循环方式进行造腔，验证反循环的可行性。

3.1 地质条件

1#井和2#井位于江苏某地区JT盆地ZXQ凹陷南部，含盐系分布于阜宁组四段。两口井含盐层基本情况如表1所示，含盐段深度接近，盐层厚度分别为176.5m、162.6m，盐岩层中含有泥质夹层，泥岩总层厚度占岩层厚度分别为11.5%、11%，总不溶物含量分别为12%、12.4%。从造腔地质条件看，两口井盐层和泥岩层均未出现层位缺失现象，造腔过程中具有较强的可比性。

3.2 造腔管柱方案

为便于研究，两口井均为单井单腔，采用95/8"×7"×41/2"的管柱组合进行采卤造腔。95/8"-7"管柱环空注入柴油形成垫层控制腔体顶部岩层的溶蚀，通过调整垫层上移位置来控制顶部岩层的溶蚀速度，以此来控制腔体的形态。41/2"和7"-41/2"环空形成输送通道，根据循环方式的不同，分别输送淡水和卤水。

3.3 注水方式

2口井淡水均由同一注水系统提供，注水压力0-5Mpa。井口注水压力和流量受井底压力、注水管柱损耗和阀门开度等条件影响，略有不同。

3.4 造腔结果

为便于描述，根据测腔次数，将1#、2#井造腔分成若干阶段。1#井进行了4次测腔，对应3个阶段，其中第1次为建槽期，第2、3次为造腔中期，第4次为造腔后期。2#井进行了5次测腔，其中第1次为建槽期，第2、3、4次为造腔中期，第5次为造腔后期。测腔结果如图2所示。

4 建槽期反循环的应用

根据国内外经验，建槽期采用正循环造腔，通过垫层控制造腔段高度，腔体体积达到设计总体积的10%左右结束建槽期建设。

1#、2#井设计体积为18万方左右，建槽期体积约2万方左右。根据正反循环造腔特点，为探寻反循环造腔控制技术，1#井建槽初期进行正循环造腔，当造腔体积达到约8500m3时进行反循环造腔。2#井一直采用正循环方式进行造腔至建槽期结束。以下是2口井在建槽期的对比情况：

4.1 造腔参数及测腔结果

1#井造腔中间管和中心管两口距28.9m，造腔时间共241天，首先采用正循环方式造腔108天，之后反循环造腔131天，平均淡水注入量为32m3/h，2#井造腔中间管和中心管两口距28m，一直采用正循环方式造腔220天，平均淡水注入量为48m3/h。测腔结果如表2所示。

4.2 造腔速度

根据测腔体积，1#井造腔时间为241天，平均每天造腔量为94m3/d，2#井的平均造腔量为109m3/d，是1#井的1.16倍，但注水量却是1#井的1.5倍。

1#井采用反循环造腔131天，由于造腔中途改用反循环，腔体体积难以测量，采用采出盐量折算腔体体积的方法就行估算。1#井平均每天采盐量为227.45t，折算成造腔体积为104m3/天，所需淡水量为768m3；2#井平均每天采盐量为258t，折算成体积为120m3/天，所需淡水量1152m3。

1#井采用反循环后造1m3腔体所需淡水量为7m3，2#井采用正循环造1m3腔体所需水量为10m3。由此可以看出，在相同注水条件下，反循环造腔的速度要高于正循环，节约淡水用量和注水能耗，缩短了造腔建设周期，节约投资。

4.3 造腔腔体形态

由图1、2中可以看出，建槽期正反循环造腔获得的腔体形态均可描述为上部圆台、下部圆锥的结构。反循环腔体直径随深度变化较大，顶部直径最大而底部直径接近0m，正循环腔体在接近溶腔中部的位置直径最大，直径随深度的变化比较平缓，未出现类似于1#井尖锥形态。

第2次测腔，1#、2#井腔体体积分别为58994m3、60355m3。由于两口井管柱下深和垫层位置不一致，1#井造腔段高度为42m，不溶物体积约14000m3，由图2中可以看出腔体抬升明显，抬升高度为15m，底部圆锥部分已经完全埋没。而2#井造腔段为30m，不溶物体积只有3000m3左右，腔体底部未发生明显抬升。

2#井在第3次测腔，造腔高度为44m，不溶物体积达到13000m3，与1#井第2次不溶物体积相当，而2#井腔体底部抬升只有10m左右，腔体底部空间利用率高。

由此可以看出，在两口距30m左右的情况下，建槽期在正循环腔体足够大的情况下可采用反循环方式，要提前采用反循环方式造腔，需要减小两口距。

5 建腔中期反循环的应用

建腔中期，为加快造腔进度，提高造腔效率，采用反循环造腔方式。在造腔过程中通过调整中间管和中心管下深，配合调整垫层进行腔体形态控制。此种造腔方式，中间管位于阶段造腔腔体最大直径位置，管柱调整为主要控制手段，调整次数多（3-4次），每次造腔时间为150天左右，垫层调整为辅。

JT储库在建腔中期造腔过程中虽然仍采用反循环方式，但采用的是以垫层调整为主，管柱调整为辅的新型的造腔模式。垫层距离中间管管口2-40m，中间管下深至腔体顶部附近，中心管下到腔的中下部。在造腔过程中适时调整垫层位置以控制泥质夹层垮塌时机和腔体形态。采用此种造腔方式，管柱调整次数降低至2-3次，根据岩层地质情况确定垫层调整次数和调整时机，这样降低了造腔过程中的施工次数和施工周期，增加了造腔有效时间，加快了造腔进度。同时，反循环提高了卤水浓度，致使造腔效率大幅度提高。图2是两口井历次测腔结果图，腔体形态完全符合设计要求并优于设计。

6 建腔后期反循环收口

根据反循环对腔体形态的发展特征和垫层调整对腔体形态的控制，结合两井的地质特征，建腔后期收口依然采用反循环方式，所不同的是需要控制中间管与腔顶的距离和垫层距中间管管口距离，同时中心管下到腔底，控制注水流量，适当增加正循环注水时间，占阶段注水时间的1/4-1/3。图3是两口井造腔结束后测腔结果，腔体形态均优于设计，1#井形态更稳定。1#、2#井腔体体积分别为19.3万方和18.2万方，也优于设计。

7 结束语

（1）反循环造腔返出卤水浓度高，建腔速度快。在相同注水条件下，反循环造腔的速度要高于正循环，缩短了造腔建设的周期。

（2）建槽期开始使用正循环腔体，何时采用反循环方式造腔须根据岩层地质条件和两口距大小确定。

（3）在建腔中期，采用反循环方式，中间管下深至前一阶段腔体顶部，中心管下至腔体底部，可明显降低腔底抬升速度。适时调整垫层位置以控制泥质夹层垮塌时机和腔体的发育形态。

（4）在建腔收口期，可采用正反循环交互方式。

参考文献

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