盐穴储气库表征渗透率研究

盐穴储气库表征渗透率研究

(１.中石道有限责任公司西气东输分公司合肥管理处ꎬ合肥２３００００ꎻ２.中石道有限责任公司西气东输分公司广东管理处ꎬ广州５１００００)

王元刚１　薛雨２　李心凯２

摘　要:以整个盐腔为研究对象ꎬ进行盐腔注水试验ꎬ观察升压后的压力变化数据ꎮ应用达西公式建立了考虑腔体静溶因素的渗透率计算模型ꎬ选取３口盐穴储气库造腔井进行注水试压试验ꎬ计算出试验井的渗透率ꎮ通过相关试验数据分析ꎬ验证计算模型的准确性ꎮ

关键词:表征渗透率ꎻ盐穴储气库ꎻ腔体静溶ꎻ注水升压中图分类号:ＴＥ８３２

文献标识码:Ａ

文章编号:１６７３－１９８０(２０１９)０６－００７８－０４

　　盐岩因其低渗透率、低孔隙度及损伤自愈性等特点ꎬ成为地下储气库建设的首选岩体ꎮ金坛盐穴储气库的成功建设ꎬ标志着我国盐穴储气库建设技术的成熟ꎮ我国盐岩具有单层厚度薄、含夹层较多以及建库层段裂缝系统不确定等特点ꎬ层状盐岩层中储库的渗透性和安全性等问题引起了广泛重视ꎬ腔体的密封性是储气成功与否的决定性因素ꎬ因此对盐穴储气库的渗透率进行计算尤为重要ꎮ

得了一定成果[１－５]ꎮ在循环及卸载压力条件下ꎬ盐岩中裂纹的产生情况表明ꎬ盐穴储气库渗透性是夹层系统与裂缝系统共同作用的结果ꎻ在水溶造腔过程中ꎬ泥岩与盐岩在高压条件下交界面处易产生微裂纹ꎬ裂缝表面有可能形成新的渗流通道ꎻ夹层位置是盐岩地下储库群最显著的影响因素ꎬ泥岩、盐岩夹层面的渗透率大于岩体本身ꎬ因而此位置所处区域是渗流最可能发生的区域ꎮ针对储气库注采运行的渗透率以及泥岩夹层与盐岩界面处的渗透率ꎬ国内学者通过模型在渗流特征、裂缝开裂扩展特征、气体渗透特征等方面进行了研究ꎬ发现渗透率与体积应变的关系可以用线性函数来近似描述[６－１０]ꎮ

虽然目前关于盐穴储气库渗透率的试验方法已通过盐穴储气库渗透性室内试验ꎬ研究人员获

气库水试压试验ꎬ以整个盐腔为研究单位ꎬ观察盐腔注水升压后的压力数据变化ꎮ在此基础上ꎬ建立了考虑盐穴储气库注水净溶的表征渗透率计算模型ꎬ并结合现场试验结果ꎬ对盐穴储气库的渗透性进行了定性分析ꎮ

１　计算模型

１.１　计算原理

在保证套管密封性良好的情况下ꎬ进行盐穴储气库渗透性试验ꎮ目前ꎬ采用的渗透性试验介质主要有氮气(Ｎ２)和水(Ｈ２Ｏ)ꎮ在气体密封试验中ꎬ需要投入大量的高精度检测设备ꎬ操作流程较复杂ꎬ设备安全等级要求较高ꎮ现场操作中需要进行多方面协调ꎬ气测渗透率的计算方法也较为复杂ꎬ需要处理大量数据[１１－１３]ꎮ相对于氮气ꎬ水在地层中的渗流规律能够满足达西公式ꎬ计算方法简单ꎮ现场注水升压作业简单ꎬ见效快ꎬ可将注水升压数据用于储气库渗透率的快速计算ꎮ渗透率测试过程的时间较短ꎬ而岩盐蠕变、卤水热膨胀对腔体的影响需要经过数年到数十年的较长时间才能显现出来ꎬ因此ꎬ对这些影响予以忽略ꎮ

通过注水升压试验确定渗透率的原理是:当盐穴储气库达到稳定状态后ꎬ在短时间内注水时ꎬ由于水的压缩性较小ꎬ腔体会处于弹性变形状态ꎻ后续试验中ꎬ由于注入淡水溶盐以及储气库存在夹层、微裂缝等原因ꎬ腔体压力下降ꎬ若能计算出腔体渗漏量ꎬ

经非常成熟ꎬ但是大部分仅限于室内研究和模型推导ꎬ且研究目的单一ꎬ研究结果缺乏现场试验数据的验证支撑ꎮ在本次研究中ꎬ我们进行了现场盐穴储

收稿日期:２０１９－１０－０７

基金项目:中国石油天然气集团公司科技重大专项“地下储气库关键技术研究与应用”(２０１５Ｅ－４０)作者简介:王元刚(１９８６—)ꎬ男ꎬ硕士ꎬ工程师ꎬ研究方向为盐穴储气库造腔技术与仪电自动化技术ꎮ

􀅰７８􀅰

王元刚ꎬ等:盐穴储气库表征渗透率研究

则可根据达西公式计算出腔体的渗透率ꎮ其计算步骤如下:(１)注入淡水升压后ꎬ由于静溶及渗流作用的影响ꎬ腔体压力降低ꎬ根据压力变化计算出腔体的体积变化量ꎻ(２)根据注水量ꎬ计算腔体溶盐增加的体积ꎻ(３)根据腔体的体积变化量及溶盐体积ꎬ计算渗漏量ꎻ(４)根据达西公式计算腔体的渗透率ꎮ１.２　渗透率计算模型

计算注水升压后腔体的总体积:Ｖｐ１１－)ＲｗＲｅ

ｋ＝

４π(ｐ１－ｐ２)

ｑμ(

式中:ｋ———储气库渗透率ꎬ１０－３μｍ２ꎻ

μ———流体黏度ꎬｍＰａ􀅰ｓꎻＲｗ———腔体半径ꎬｃｍꎻＲｅ＝Ｒｗ＋１０００

(５)(６)

Ｒｅ———升压∕降压过程中注水压力波及到的

Ｖ１＝Ｖｉｎ(１－

Ｋｉｎ１

ｖ

)＋　　　　Ｖ０(１－ｐ１Ｋ－ｐ０

ｖ

)

(１)

式中:ＶＶ１———腔体总体积ꎬｃｍ３

ꎻ

ｐ０———腔体初始体积ꎬｃｍ３ꎻｐ０———升压前压力ꎬＭＰａꎻＫ１———升压后压力ꎬＭＰａꎻＶｖ———水的体积模量ꎬ取３５６ＭＰａꎻ

计算降压后腔体的体积变化量ｉｎ———注水量ꎬｃｍ３ꎮ

:

ΔＶ＝Ｖ１

ｐ１Ｋ－ｐ２

:ｐｖ

(２)

式中Δ２Ｖ——————漏失后压力腔体体积变化量ꎬＭＰａꎻ

腔体体积变化受注水溶盐与储气库渗漏的相互ꎬｃｍ３ꎮ

作用ꎮ由于升压前腔内卤水达到饱和ꎬ且注水量相对较小ꎬ假设注入水溶盐在试验时间内可达到饱和ꎬ则注入水溶盐后腔体体积增量通过式(３)计算得出:

ΔＶ′＝Ｖρｉｎｓ——腔体体积增量ｓ－Ｖｉｎ(１＋ρ

ｓ

－１)

(３)

式中:ΔＶ′—ꎬｃｍ３ｓ———氯化钠(ＮａＣｌ)溶液在ꎻ６０℃下的饱和溶解度ꎬ取３６％ꎻ

ρρｓ——————固体氯化钠密度ꎬ取２.１６ｇ∕ｃｍ３ꎻ

１.２３５ｇ∕ｃｍ３ꎮ

注入水与氯化钠混合后的溶液密度ꎬ

在盐穴储气库水溶造腔过程中ꎬ由于夹层及微

裂缝的存在ꎬ注入水发生一定程度的渗漏ꎮ实验过程中的渗漏量通过式(４)计算得出:ｑ＝(ΔＶ－ΔＶ′)∕ｔ

(４)

式中:ｑ———腔体渗漏量ꎬｃｍ３ｔ———试验时间ꎬｓꎮ

∕ｓꎻ

假设渗漏符合达西定律ꎬ沿腔体壁面均匀渗漏ꎬ则可根据球面流达西公式ꎬ计算盐穴储气库的表征渗透率:

半径ꎬｃｍꎮ

２　现场试验

在盐穴储气库水溶造腔过程中ꎬ通过造腔管柱往盐层中注入淡水溶解盐岩ꎬ形成的饱和卤水排出至地面ꎬ最终使地下形成洞穴ꎮ夹层与微裂缝的存在ꎬ使得盐穴储气库会发生渗漏ꎮ当盐腔达到稳定状态后ꎬ往盐腔内注水使腔体压力升高ꎬ在静溶及渗漏过程中压力逐渐降低ꎻ继续注水ꎬ使腔体压力升高至设计值ꎬ并观察压力变化情况ꎮ多次重复以上过程后ꎬ盐腔会重新达到平衡ꎮ此时ꎬ可根据压力变化

及注水量计算腔体的渗透率ꎬ选取３口盐腔进行注水试压试验ꎮ下面为Ｗ１井、Ｗ２井、Ｗ３井２０１７年的现场注水试压结果过程中腔内最高压力设计值为(１)Ｗ１井:腔体体积约ꎮ

１７１１６.６０２４００ｍ３ＭＰａꎻꎻ注水试压

当腔内压力升至最高压力设计值后ꎬ共进行３次注水试压试验ꎮ其中ꎬ最后一次注水２.８００ｍ３力升高了０.０１４ＭＰａꎬ升压结束后２１ꎬ注水过程中压ｈ内压力下降了０.００４ＭＰａꎮ图１所示为Ｗ１井注水试压结果ꎮ

图１　Ｗ１井注水试压结果

腔内压力设计值为(２)Ｗ２井:腔体体积为２０.９００ＭＰａꎻ６００注水使腔内压力达６９６ｍ３ꎻ注水试压

到设计值后进行３次升压试压ꎮ其中ꎬ最后一次注水１.２８６ｍ３ꎬ注水期间压力升高０６６ＭＰａꎮ图２０.所示为２３０ＭＰａꎬＷ２观察井注水

４１试压结果ｈ后压力回落ꎮ

０.􀅰７９􀅰

王元刚ꎬ等:盐穴储气库表征渗透率研究

３　渗透率计算结果分析

结合试验数据ꎬ运用上述模型计算不同盐腔的渗透率ꎮ以Ｗ１井为例ꎬ由于每次升压的注水量相对于腔体体积而言都比较小ꎬ因此ꎬ可忽略最后一次升压前的腔体体积变化ꎮ

Ｖ１＝２.８００×(１－　　(１－

Ｗ１井最后一次注水升压结束后的腔体体积为:

１６.３９９－１６.３８５

)

３５６

１６４

)＋１７１６０２×３５６０

图２　Ｗ２井注水试压结果

内压力设计值为１９.５００ＭＰａꎻ注水使腔内压力达到５.０００ｍ３ꎬ注水期间压力升高０.１２９ＭＰａꎬ观察４８ｈ压结果ꎮ

设计值后进行３次升压试压ꎬ其中最后一次注水后压力回落０.０５１ＭＰａꎮ图３所示为Ｗ３井注水试

(３)Ｗ３井:腔体体积为６１３８１ｍ３ꎻ注水试压腔

　≈１７１０６４(ｍ３)

降压过程中的腔体体积变化量为:ΔＶ＝１７１０６４×１０６×

≈１９２２０７(ｃｍ３)

１６.３９９－１６.３９５

３５６

淡水溶盐后ꎬ溶解的氯化钠与卤水充分混合ꎬ腔体的体积增量为:

ΔＶ′＝

１＋３６％２.８００×３６％ç÷－１ö－２.８００×æ

２.１６è１.２３５ø

　　≈１８３２６６(ｃｍ３)腔体的渗漏量为:

ｑ＝(ΔＶ－ΔＶ′)∕ｈ≈０.１１８(ｃｍ３∕ｓ)

图３　Ｗ３井注水试压结果

根据腔体体积计算出球面渗流界面的等效半径为３４４５ｃｍꎬ卤水的黏度取０.８５ｍＰａ􀅰ｓꎬ代入式(５)得到的渗透率为:

ｋ＝

０.１１８×０.８５×(

１１

－)３４４５３４４５＋１０００４π×０.４

以上３口井最后一次注水试验数据见表１ꎮ

表１　３口井最后一次注水试验数据

升压前

井名Ｗ１Ｗ２Ｗ３

压力∕１６.３８５１８.９３７１８.９７０ＭＰａ

升压后压力∕１６.３９９１８.９６０１９.０９９ＭＰａ

注水量∕ｍ３２.８００１.２８６５.０００

降压时间∕２１４１４８ｈ

漏失后压力∕１６.３９５１８.８９４１９.０４８ＭＰａ

升压前腔体体积∕ｍ３１７１０６２６００６９６６１３８１

μｍ２ꎬＷ３井的渗透率０.０２９×１０－３μｍ２ꎮ

同样计算出ꎬＷ２井的渗透率为０.０５０×１０－３

≈０.００７×１０－３(μｍ２)

３口盐腔井渗透率计算结果如表２所示ꎮ

腔体的体积增量∕１８３２６６３２７２６０８４１７１ｃｍ

３

表２　３口盐腔渗透率计算结果

井名Ｗ１Ｗ２Ｗ３

腔体等效半径∕

ｃｍ３４４４２４３０２４４７

远端半径∕

ｃｍ４４４４３４３０３４４７

溶盐体积∕ｃｍ３４６６６６７２１４３３３８３３３３３

升压后腔体体积∕

ｍ３１７１０６４６００７０６１３８４

降压后腔体体积变化量∕１９２２０７８７９３７５ｃｍ

３

渗漏量∕(ｃｍ３􀅰ｓ－１)０.１１８６.９７５３.１９５

渗透率∕(１０－３μｍ２)０.００７０.０５００.０２９

１１１３６６６

　　通过分析数据可以看出ꎬ盐穴储气库渗透率极低ꎮ其中ꎬＷ１井的渗透率为０.００７×１０－３μｍ２ꎬＷ３􀅰８０􀅰

井的渗透率为０.０２９×１０－３μｍ２ꎬ而Ｗ２井的渗透率

相对较高ꎬ但是也低至０.０５０×１０－３μｍ２ꎮＷ２井的渗透率相对较高ꎬ其原因可能是井口微量泄漏等原因导致泄漏量增加ꎬ造成表征渗透率计算值偏大ꎮ

王元刚ꎬ等:盐穴储气库表征渗透率研究

即便如此ꎬ模型计算得到的渗透率与其他学者通过室内试验得到的结果相差不大ꎬ这就验证了所建立模型的准确性ꎮ

[６]王保辉ꎬ闫相祯ꎬ杨秀娟ꎬ等.地下储气库天然气运移的

等效渗流模型[Ｊ].中国石油大学学报(自然科学版)ꎬ[７]贾善坡ꎬ杨建平ꎬ王越之ꎬ等.含夹层盐岩双重介质耦合

损伤模型研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２０１２ꎬ３１(１２):２５４８－２５５５.

[８]王贵君ꎬ刘朝鹏ꎬ介少龙ꎬ等.考虑流－固耦合的天然气

盐岩储库渗流特性研究[Ｊ].地下空间与工程学报ꎬ[９]王伟ꎬ徐卫亚ꎬ王如宾ꎬ等.低渗透岩石三轴压缩过程中

的渗透性研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２０１５ꎬ３４(１):[１０]谭贤君ꎬ陈卫忠ꎬ杨建平ꎬ等.盐岩储气库温度－渗流－

应力－损伤耦合模型研究[Ｊ].岩土力学ꎬ２００９ꎬ１２(３０):３６３３－３６４１.

[１１]林勇ꎬꎬ李治ꎬ等.气密封检测技术在储气库注采井

中的应用[Ｊ].天然气与石油ꎬ２０１２ꎬ３０(１):５５－５８.[１２]袁光杰ꎬ申瑞臣ꎬ袁**ꎬ等.盐穴储气库密封测试技术

的研究及应用[Ｊ].石油学报ꎬ２００７ꎬ２８(４):１１９－１２１.

参考文献

[１]李浩然ꎬ杨春和ꎬ刘玉刚ꎬ等.单轴荷载作用下盐岩声波

与声发射特征试验研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ[２]武志德ꎬ周宏伟ꎬ丁靖洋ꎬ等.不同渗透压力下盐岩的渗

透率测试研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２０１２ꎬ３１(增刊２):３７４０－３７４６.

[３]贾超ꎬ张凯ꎬ张强勇ꎬ等.基于正交试验设计的层状盐岩

地下储库群多因素优化研究[Ｊ].岩土力学ꎬ２０１４ꎬ３５(６):１７１８－１７２６.

[４]陈卫忠ꎬ谭贤君ꎬ伍ꎬ等.含夹层盐岩储气库气体渗

透规律研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２００９ꎬ２８(９):[５]纪文栋ꎬ杨春和ꎬ刘伟ꎬ等.层状盐岩细观孔隙特性试验研

究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２０１３ꎬ３２(１０):２０３６－２０４４.１２９７－１３０４.

２０１４ꎬ３３(１０):２１０８－２１１６.

[１３]杨石刚ꎬ方秦ꎬ张亚栋ꎬ等.盐岩地下储库气体泄漏量的

计算方法[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２０１２ꎬ３１(增刊[１４]刘伟ꎬ李银平ꎬ杨春和ꎬ等.层状盐岩能源储库典型夹层

渗透特性及其密闭性能研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２０１４ꎬ３３(３):５００－５０６.

[１５]周宏伟ꎬ何金明ꎬ武志德.含夹层盐岩渗透特性及其细

观结构特征[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２００８ꎬ２８(９):[１６]刘伟ꎬＮＡＷＡＺＭꎬ李银平ꎬ等.盐岩渗透特性的试验研

究及其在深部储气库中的应用[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２０１４ꎬ３３(１０):１９５３－１９６１.

[１７]王新志ꎬ汪稔ꎬ杨春和ꎬ等.盐岩渗透性影响因素研究综

述[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２００７ꎬ２６(增刊１):２６７８－２６８６.２０６８－２０７３.２):３７１０－３７１５.４０－４７.

２０１６ꎬ１２(增刊２):４７０－４７４.２０１１ꎬ３５(６):１２８－１３０.

４　结　语

根据水溶造腔基本原理和渗流力学基本理论ꎬ以整个盐腔为研究单元ꎬ考虑盐腔静溶的影响ꎬ推导出了盐穴储气库表征渗透率的计算方法ꎮ现场作业中通过注水升压的方法来计算渗透率ꎬ操作工艺较简单ꎬ计算量小ꎬ可在盐穴储气库水溶造腔过程中随时进行ꎬ实用性较强ꎮ采用现场试验数据ꎬ计算出的１０－３μｍ２ꎮ通过与其他学者的室内试验研究结果相对比[１４－１７]ꎬ验证了所建立模型的准确性ꎮ所建立的模型适用于盐穴储气库渗透率的快速计算ꎬ在判断盐穴储气库造腔层段存在微裂缝及夹层等条件下的渗透性时可予以参考ꎮ

盐穴储气库渗透率极低ꎬ约０.００７×１０

－３

~０.０５０×

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎＰｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｏｆＳａｌｔＣａｖｅｒｎＧａｓＳｔｏｒａｇｅ

２.ＧｕａｎｇｄｏｎｇＲｅｇｉｏｎＤｅｐａｒｔｍｅｎｔꎬＰｅｔｒｏＣｈｉｎａＷｅｓｔ－ＥａｓｔＧａｓＰｉｐｅｌｉｎｅＣｏｍｐａｎｙꎬＧｕａｎｇｚｈｏｕ５１００００ꎬＣｈｉｎａ)

(１.ＨｅｆｅｉＲｅｇｉｏｎＤｅｐａｒｔｍｅｎｔꎬＰｅｔｒｏＣｈｉｎａＷｅｓｔ－ＥａｓｔＧａｓＰｉｐｅｌｉｎｅＣｏｍｐａｎｙꎬＨｅｆｅｉ２３００００ꎬＣｈｉｎａꎻ

ＷＡＮＧＹｕａｎｇａｎｇ１　ＸＵＥＹｕ２　ＬＩＸｉｎｋａｉ２

Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴａｋｉｎｇｔｈｅｓａｌｔｃａｖｅｒｎａｓａｗｈｏｌｅｕｎｉｔꎬｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｃｈａｎｇｅｄａｔａｉｓｒｅｃｏｒｄｅｄａｆｔｅｒｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎａｎｄｌｕｔｉｏｎｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂａｓｅｄｏｎＤａｒｃｙｌａｗ.Ｔｈｒｅｅｓａｌｔｃａｖｅｒｎｓａｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄｆｏｒｔｈｅｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｄａｔａ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙꎻｓａｌｔｃａｖｅｒｎｇａｓｓｔｏｒａｇｅꎻｓｔａｔｉｃｓｏｌｕｔｉｏｎꎻｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎａｎｄｂｏｏｓｔｉｎｇｂｏｏｓｔｉｎｇｔｅｓｔｂｙｃａｒｒｙｉｎｇｐｒｅｓｓｔｅｓｔｔｏｔｈｅｓａｌｔｃａｖｅｒｎ.Ａｍｏｄｅｌｆｏｒｓａｌｔｃａｖｅｒｎｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｓｔａｔｉｃｓｏ￣

ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓａｌｔｃａｖｅｒｎｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ.Ｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｏｔｈｅｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ

􀅰８１􀅰