2017, Vol. 38
我国60 %的原油依赖进口, 来源主要集中在中东、非洲及中亚等地.英国石油公司(BP)预计, 中国石油对外依存度在20年后可能上升到76 %, 将超越欧洲成为全球最大的能源进口国, 石油需求量也将以1 050万桶/日上升到1 700万桶/日.盐岩储气库被认为是储油储气的理想场所, 因此建立盐岩油气储库显得尤为重要[1].
国内外对单井水溶造腔技术研究得比较成熟, 但对盐岩双井水溶造腔技术的研究基本还处于初级阶段.Durie[2-3]依据边界层理论, 开展了不同溶蚀角度下溶解实验, 并推导出溶解速率与溶蚀角度的关系式.Schulze等[4]通过声发射、声波测试技术揭示了盐岩的扩容特性和相应的渗透率演化规律.Nolen[5]对单井水溶过程进行了计算机模拟, 对卤水浓度变化、腔体体积增长速率以及腔体形状进行了分析.Preece等[6-7]利用有限元程序分析了美国Weeks Island盐岩储气库因盐岩蠕变变形引起的腔体体积收缩, 预测了储气库运行50年后的体积损失量.Hoffman等[8-10]对盐岩储气库腔间距以及埋深对储气库稳定性的影响进行了研究.
基于此, 本文采用巴基斯坦喜马拉雅山区天然盐岩试件, 开展不同提管工艺条件下小井间距双井水溶造腔试验, 为我国开展盐岩双井水溶造腔提供理论指导.
1 试件准备与实验装置 1.1 实件准备本文采用的盐岩试件选用巴基斯坦喜马拉雅山区高纯度天然盐岩, 盐块可溶物质量分数达99.8 %, 密度为2 117 kg/m3.经加工后的盐岩试件如图 1所示, 试件尺寸为200 mm×200 mm×100 mm的立方体.
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图 1 盐岩试件 Fig.1 Salt rock specimen |
为研究双井水溶造腔的腔体扩展规律, 设计了如图 2所示的试验装置.用固定位置的高倍摄像机记录双井水溶造腔过程中腔体的扩展动态, 不时通过橡胶软管往腔体里面注入染料.
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图 2 水溶造腔试验装置 Fig.2 Equipment of solution mining test |
由于小间距双井水溶造腔过程的复杂性, 本文拟通过“量纲分析法”来建立原型与模型的关系, 影响盐岩水溶造腔有关的参数有:几何尺寸l, 盐岩的溶解时间t, 盐岩的密度ρ, 溶解速率ω, 腔内卤水的浓度c, 温度T, 注水流量q.基于物理方程的奇次性, 可建立各参量相似比的关系.
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(1) |
由中石油西气东输储气库项目部在湖北云应盐矿开展的小井间距双井水溶造腔现场先导试验可知, 现场两井间距约为18 m, 而在实验条件下, 若以6 cm井间距为基准, 则几何相似比为K=300, 而盐岩密度相似比以及盐岩溶解速率相似比在特定实验条件下为确定值, 可通过直接测量原型与模型的相关参数获得.在Kl, Kρ, Kω确定的条件下, 通过式(1)可获得Kt, Kc, Kq, 各相似比的具体数值如表 1所示.
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表 1 相似比参数 Table 1 Similarity ratio parameters |
一般而言, 造腔过程中主要有3种提管方式：第一种, 同时提两管, 即每到一个阶段, 将注水管和排卤管同时提到相应的位置; 第二种, 只提注水管, 即每到一个阶段, 将注水管提到相应的位置, 而排卤管位置保持不动; 第三种, 提油垫, 即每到一个阶段, 将油垫提到相应的位置, 而注水管和排卤管位置均保持不动.
3种不同提管方式的套管参数如表 2所示, 顶板和底板各预留20 mm的保护层, 实际用于造腔的高度为160 mm, 所以设计了4个造腔阶段, 每次提管或提油垫的高度为40 mm.在每一阶段中又分为A→B和B→A两个溶蚀部分, 对应着注水方向由A管到B管和由B管向A管注水.每一阶段的溶蚀时间以及注水流量见表 3.
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表 2 不同提管方式的参数 Table 2 Parameters of different casing manners |
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表 3 每一阶段的溶蚀参数 Table 3 Dissolving parameters of every period |
假设溶腔溶蚀的盐总质量为mts, 这部分盐一部分通过卤水排出腔外, 一部分留在了溶腔中.排出腔外的盐的质量为msa, 而留在溶腔里的盐的质量为msic, 则mts和msic可以表示为
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其中，csic为溶腔中卤水的平均质量浓度.整理可得
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(4) |
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忽略盐岩中的不溶物含量, 可得溶腔的体积为
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(6) |
根据式(6)可以得到不同流量时腔体体积随溶蚀时间的关系, 如图 3所示.由图可以看出, 3组试验的溶腔体积随溶蚀时间的增加而增大, 但很显然, 试验2的体积增长速率要大于其他两组实验, 而试验1的体积增长速率最小.最终, 试验1形成的腔体体积为590 mL, 试验2形成的腔体体积为670 mL, 试验3形成的腔体体积为625 mL.由此可以得出, 试验2的提管方式是3种提管方式中造腔效率最高的.
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图 3 溶腔体积与溶蚀时间的关系 Fig.3 Relationship between cavern volume and leaching time |
图 4为试验1条件下的腔体扩展图, 由图可知, 腔体的底部形状为“船体形”, 底部形成长度为62.6 mm的平台, 这种底部构造能够沉积大量的残渣而不占用腔体过多的高度, 这种优势在后期腔体利用中能够发挥巨大的作用.由于卤水浓度在竖直方向上存在一定的浓度差, 腔体底部形成一定的溶蚀角, 溶蚀角在45°~55°之间.在溶蚀时间为4 h, 即造腔第一阶段结束时, 溶腔顶部左侧盐壁向外扩展了23.2 mm, 溶腔顶部右侧盐壁向外扩展了26.4 mm, 该阶段溶腔顶部盐壁的平均溶蚀速率为6.2 mm/h.在造腔第二阶段结束时, 溶腔顶部左侧盐壁向外扩展了29.3 mm, 溶腔顶部右侧盐壁向外扩展了34 mm, 造腔第二阶段溶腔顶部盐壁的平均溶蚀速率为5.3 mm/h.在造腔第四阶段结束时, 溶腔顶部左侧盐壁向外扩展了24.2 mm, 溶腔顶部右侧盐壁向外扩展了24.3 mm, 造腔第四阶段溶腔顶部盐壁的平均溶蚀速率为6.1 mm/h.在这种提管方式下, 每个阶段的连接处形成很明显的锯齿状, 这种形状的形成一是由于进水管和排卤管都同时向上提升, 造成排卤管管口以下的溶腔不再扩展, 二是每次提管的高度较大, 使得前后两次溶蚀阶段的溶蚀范围重合部分较小.
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图 4 试验1条件下腔体扩展图 Fig.4 Expansion of cavern in test 1 |
图 5为试验2条件下的腔体扩展图, 和试验1类似, 溶腔在腔底形成“船体形”的空间区域, 在每一个阶段连接处, 同样出现了溶蚀倾角, 角度在55°~65°之间.对每一个造腔阶段盐壁的扩展宽度进行了测量, 从而可以求得盐壁的溶解速率.造腔第一阶段, 盐壁的溶解速率为6.2 mm/h; 造腔第二阶段, 盐壁的溶解速率为6 mm/h; 造腔第三阶段, 盐壁的溶解速率为5.1 mm/h; 造腔第四阶段, 盐壁的溶解速率为5.4 mm/h.
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图 5 试验2条件下腔体扩展图 Fig.5 Expansion of cavern in test 2 |
图 6为试验3条件下的腔体扩展图, 由于进水管置于溶腔底部, 所以整个溶腔边界在整个溶蚀过程一直在向外扩展, 最后形成的腔体下半区域体积很大, 而腔体顶部形成两个“宝塔”状的尖角, 清水从进水管注入, 由于清水密度小于卤水, 所以清水会向腔体顶部运动, 在向上运动的过程中, 清水和卤水相互接触, 从而清水也慢慢融合到卤水当中, 由于进水口距离腔顶有很长的一段距离, 所以清水对腔顶的作用很小, 从而导致“宝塔”状的腔顶形成.通过测量, 可知腔体底部的溶蚀倾角为50°.
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图 6 试验3条件下腔体扩展图 Fig.6 Expansion of cavern in test 3 |
为了解小间距双井水溶造腔与单井水溶造腔腔体扩展规律的差异, 补充了一组单井水溶造腔试验与试验2进行对比, 单井水溶造腔采用三层套管, 分别为中心管、中间管以及生产套管.整个造腔过程分4个溶蚀阶段, 第一造腔阶段为正循环, 后三阶段为反循环, 具体试验参数见表 4.
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表 4 单井造腔的溶蚀参数 Table 4 Parameters of single-well solution mining |
图 7为两种造腔方法下单位时间溶蚀的腔体体积, 由图可以看出, 两条曲线的变化规律具有很好的相似性, 在造腔前期, 单位时间溶蚀的腔体体积随溶蚀时间的增加而增大, 但要分两种情况进行说明, 当从一个造腔阶段进入另一个造腔阶段, 单位时间溶蚀的腔体体积有一个较大的跳跃, 而在同一个造腔阶段, 单位时间溶蚀的腔体体积增长较为缓慢.在造腔后期, 单位时间溶蚀的腔体体积趋于平稳, 基本上为一个稳定的数值.从两种方法比较来看, 小井间距双井水溶造腔法在溶蚀效率上具有一定的优势, 且优势在造腔前期更加明显, 这一特质与排卤口质量浓度随溶蚀时间的变化规律有很好的一致性.
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图 7 两种造腔方法下溶蚀的腔体体积 Fig.7 Comparison of cavern volume of two solution mining methods |
图 8为单井水溶造腔法下的腔体扩展图, 由图可以看出, 单井水溶造腔法下的溶腔具有很好的对称性, 这是由于造腔管柱位于溶腔的中心位置, 使得同一水平面的卤水浓度具有很好的均一性, 所以溶腔在同一水平面的盐壁会以相同的速度向外扩展.溶腔最后的形状为上大下小的近似梨形, 溶腔的直径为139 mm, 底部的溶蚀倾角为55°左右.
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图 8 单井水溶造腔法下的腔体扩展图 Fig.8 Expansion of cavern of single-well solution mining |
1) 提管方式对小间距双井水溶造腔有较大影响.只提注水管时, 腔体体积增长速率大于另外两种方式, 该方式可以排除更多的盐分子, 有利于腔体的建造.
2) 不同的提管方式对盐腔侧壁的溶解速率影响不明显, 同时提注水管和排卤管最后形成的腔体形状为“船”形, 提油垫时得到底部区域很大而顶部为两个“塔”状的腔体.
3) 与单井水溶造腔技术相比, 小间距双井水溶造腔技术的造腔优势主要在于前期, 在前期时腔体盐壁的溶解速率和排卤口卤水浓度大, 到后期单井造腔也会达到较高的卤水浓度和造腔速率.
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