水平對接采鹵井腔體溶蝕形態(tài)分析

周冬林，焦雨佳，杜玉潔，王立東

中國石油天然氣股份有限公司鹽穴儲氣庫技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江212000

引言

中國的鹽穴儲氣庫建設(shè)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入新的發(fā)展階段。一方面，經(jīng)歷多次用氣高峰期氣源緊張的考驗后，儲氣庫的作用和必要性被社會各界廣泛認(rèn)同，從國家到地方政府、從央企到民營企業(yè)都開始重視儲氣庫的建設(shè)，中國的儲氣庫建設(shè)正面臨前所未有發(fā)展機(jī)遇。另一方面，儲氣庫建設(shè)面臨新的挑戰(zhàn)，可利用的優(yōu)質(zhì)建庫資源缺乏。目前，勘探發(fā)現(xiàn)的鹽層都以層狀形式產(chǎn)出，其特點(diǎn)是不溶物夾層數(shù)量多，鹽巖單層厚度小，導(dǎo)致水溶造腔速度慢、建庫成本高、建庫周期長等問題，嚴(yán)重制約著鹽穴儲氣庫的建設(shè)[1-4]。但與此相對應(yīng)的，是中國數(shù)十年的井礦鹽開采歷史，常年采鹵形成的地下鹽腔數(shù)量眾多，僅湖北云應(yīng)、河南平頂山等地?fù)碛欣锨?00 多個，大部分充滿鹵水處于廢棄閑置狀態(tài)。如果可以將這些老腔改建為儲氣庫，既能加快儲氣庫建設(shè)，又回收利用了資源，前景十分廣闊[3-9]。

老腔再利用并不是新概念，早在20 世紀(jì)50 年代，荷蘭、美國及加拿大等國就使用老腔存儲天然氣和石油，20 世紀(jì)80 年代進(jìn)一步使用鹽腔儲存氫氣、廢棄殘渣以及核廢料。2011 年，井神鹽化采用自有的廢棄鹽腔儲存廢棄的堿渣。金壇鹽穴儲氣庫建設(shè)之初，就改造利用5 個單井老腔儲存天然氣，在老腔評價和改造利用方面已經(jīng)形成了相對完備的技術(shù)[10-12]。

但改造利用對接采鹵井溶蝕形成的老腔也面臨新的難點(diǎn)，與金壇單井老腔相比，這類鹽腔的腔體形態(tài)難以直接通過聲吶檢測來解決問題，而弄清對接井采鹵腔體的形態(tài)是改造利用的主要前提，有關(guān)這個問題的研究國內(nèi)處于空白，國外也鮮見報道。通過聲吶檢測結(jié)果、結(jié)合生產(chǎn)資料和井身結(jié)構(gòu)等資料，建立了對接井老腔的形態(tài)模型，為對接井老腔的改造利用提供依據(jù)。

1 對接井老腔基本情況

1.1 生產(chǎn)方式

以江蘇省淮安市某地區(qū)的采鹵井為例，該地區(qū)主要含鹽層段為古近系阜寧組四段上鹽亞段，鹽層埋藏深度約1 000～1 700 m，為層狀鹽巖地層，含鹽地層中的夾層主要為泥巖，含少量硬石膏或砂巖，厚度0.2～5.0 m，個別的大夾層厚度達(dá)10 m；鹽巖主要成分為NaCl，含少量泥巖或硬石膏鈣芒硝，厚度0.2～2.0 m，地層整體平均不溶物含量約為45%，如圖1 所示。該地區(qū)采鹵井主要為水平對接井，井距約300 m 左右，井組之間的距離約120 m 左右，鉆井井深1 300～1 500 m，開采時間約10 a[13-14]。

圖1 淮安鹽礦古近系阜寧組四段上鹽亞段巖性剖面Fig.1 Lithologic profiles of theuppermemberofinHuai′anSalt Mine

水平對接井采鹵通過鉆兩口井，一口為直井，另一口為水平井，兩井在地下通過裸眼連通進(jìn)行循環(huán)的采鹵方式。兩井的生產(chǎn)套管均采用單層管柱，一口井注入淡水，另一口井采出鹵水，兩井作為注入井和采出井的角色不定期更換，采鹵過程中無油墊控制，當(dāng)管柱被掩埋導(dǎo)致排鹵困難時，直接切割生產(chǎn)管，這種生產(chǎn)方式相對單井采鹵能夠獲得高濃度的鹵水，且對鹽層利用更為充分，因此，使用得更為普遍，采鹵形成的連通型老腔在平頂山、云應(yīng)、淮安、楚州等地有廣泛分布[15-18]。

1.2 井身結(jié)構(gòu)

以淮安鹽礦某礦區(qū)某1 組水平對接井為例，其井身結(jié)構(gòu)如下：直井名V 井，導(dǎo)管φ377.0 mm 下深65 m，表層套管φ244.5 mm 下深452 m，φ177.8 mm生產(chǎn)套管下深1 448 m，套管均固井至地面，裸眼井深1 480 m。

水平井名H 井，導(dǎo)管φ377.0 mm 下深62 m，表層套管φ244.5 mm 下深450 m，φ177.8 mm 生產(chǎn)套管下深1 433 m，套管均固井至地面，水平裸眼段與V 井連通，裸眼井深1 490 m，如圖圖2 所示。

圖2 某水平對接井初始井身結(jié)構(gòu)Fig.2 Initial wellbore structure of horizontally directional butted wells

1.3 生產(chǎn)情況

該水平對接井分別在770 m 和750 m 鉆遇鹽層，并在主要鹽層段完鉆。自2007 年開始采鹵，期間由于不采用油墊控制上溶，生產(chǎn)管多次被不溶物掩埋，每次均通過割管方式解堵以恢復(fù)生產(chǎn)，經(jīng)過多次割管后，目前V 井和H 井生產(chǎn)套管底部深度分別為1 272 m 和1 340 m。

生產(chǎn)至今，累計注水737.5×104m3，累計采鹵678.1×104m3。按照采鹵濃度300 g/L，鹽密度2 160 kg/m3，折算采鹽體積為94.2×104m3，采鹵地層平均不溶物含量為45%，因此，估算地下采動空間體積為171.2×104m3。

2 對接井老腔聲吶檢測

2.1 聲吶檢測

聲吶檢測技術(shù)是目前測量地下腔體形態(tài)的最直接有效的技術(shù)方法，能夠直接測量腔體的空間形態(tài)并顯示出二維和三維的圖像，在單井采鹵形成的腔體內(nèi)獲得了很好的應(yīng)用效果[19-20]。由于儀器靠重力下入井內(nèi)，因此，無法測試水平井段和造斜段，但由于水平井H 井的生產(chǎn)管經(jīng)過多次割管，生產(chǎn)套管造斜段已完全被切割，這為該井進(jìn)行聲吶檢測提供了可能，分別在V 井和H 井內(nèi)實施聲吶測試，首次揭開了連通老腔腔體特征。

V 井的鹽腔形態(tài)呈半球形，腔頂深度1 294 m，腔底深度1 322 m，腔高27 m，腔體體積49 904 m3。鹽腔最大直徑約77 m（深度1 309 m），在北偏西約10° 方向，該井與H 井連線方向最大半徑不超過30 m。

如圖3 所示，H 井鹽腔形態(tài)呈似圓錐形，腔頂深度1 260.7 m，腔底深度1 305.7 m，腔高45 m，腔體體積121 158 m3。鹽腔最大直徑約107 m（深度1 298 m），在北偏西約10°方向，該井與V 井連線方向最大半徑不超過40 m。

圖3 V 井和H 井腔體聲吶檢測結(jié)果Fig.3 Cavern shapes detected by sonar survey of Well V and Well H

2.2 檢測結(jié)果分析

單從聲吶檢測到的結(jié)果看，對接井采鹵形成的老腔僅在V 井和H 井的井眼附近形成腔體，幾乎看不出他們之間是連通采鹵溶蝕形成的，更像是兩個單獨(dú)溶蝕形成的獨(dú)立腔體。地理位置上，V 井位于H 井北偏東70°距離300 多米處，兩井之間循環(huán)注采，但測量得到的兩個腔體形態(tài)看上去與此并無關(guān)系，沿著兩個腔體之間鹵水流動方向的腔體半徑并未出現(xiàn)增大，腔體整體形態(tài)都較為規(guī)則。

將聲吶檢測的腔體形態(tài)與對接井井身結(jié)構(gòu)組合分析，可見兩井由1 480～1 490 m 開始采鹵，采鹵過程中由于沒有控制上溶，兩井的腔體向上快速溶蝕，加上不溶物含量高，底坑堆積速度快，目前的底坑高度相對于初始溶蝕時，分別升高157 m 和185 m。聲吶檢測腔體下部底坑的形態(tài)以及兩個腔體之間的連通部分形態(tài)無法直接通過聲吶檢測獲得（圖4）。

圖4 對接井井身結(jié)構(gòu)和聲吶檢測腔體位置圖Fig.4 Wellbore structure and cavern location of horizontally directional butted wells

3 腔體形態(tài)預(yù)測

3.1 底坑體積計算

腔體的形態(tài)由自由體積和底坑體積兩部分組成，聲吶檢測方法只能測得腔體的自由體積，腔體的底坑形態(tài)仍然屬于未知。要了解腔體整體的形態(tài)，尤其是連通部分的形態(tài)，必須恢復(fù)腔體底坑的形態(tài)。

聲吶檢測得到的腔體自由體積分別為49 904 m3和121 158 m3，合計17.106 2×104m3。生產(chǎn)資料得到的鹽層內(nèi)采動體積為171.2×104m3，因此，該連通老腔底坑總體積為154×104m3，自由體積與底坑體積之比為1：9?？梢?，在整個腔體總體積中，不溶物掩埋形成的底坑體積占據(jù)了絕大部分體積。

3.2 底坑形態(tài)預(yù)測

根據(jù)現(xiàn)有資料，包括鉆井地質(zhì)條件、井眼軌跡，結(jié)合生產(chǎn)資料和聲吶檢測，對連通腔體的形態(tài)進(jìn)行假想，預(yù)測連通腔體整體形態(tài)為U 形。

V 井為直井，鹽腔自由體積之下被不溶物掩埋，形態(tài)近似圓柱體，H 井為水平井，造斜點(diǎn)以上呈近似圓柱體，造斜點(diǎn)以下至水平段起點(diǎn)呈近似圓錐體，兩井水平通道呈近圓柱體。預(yù)測鹽腔底坑的形態(tài)由A、B、C、D 共4 部分組成，其體積總和應(yīng)為154×104m3。

A 為H 井造斜點(diǎn)以上至底坑頂面的圓柱體，高度為hA，B 為H 井造斜點(diǎn)至水平段起點(diǎn)近圓錐體，高度為hB，且hA+hB=185。C 為水平連通通道近圓柱體，hC=244 m，D 為V 井鹽腔近圓柱體，高度hD為158 m。

底坑各部分形態(tài)體積計算公式為

下標(biāo)：A，B，C，D—腔體底坑4 個對應(yīng)的部分。

對于水平段的形態(tài)預(yù)測是整個對接井老腔腔體模型的關(guān)鍵。由于腔體高度大，兩口井的井距大，因此，注入的淡水到達(dá)水平段時必定趨于飽和。因此，水平段的溶蝕強(qiáng)度較小，且受到夾層的影響，水平段的規(guī)模難以持續(xù)擴(kuò)展，參照單層鹽巖厚度，水平段的高度按照20 m 計算。

計算得到A 和B 的界面為1 370 m，U 形腔體的形態(tài)和各部分體積如表1 和圖5。

表1 水平對接井各部分體積估算表Tab.1 Estimated volume of each segment of horizontally directional_butted wells

圖5 某水平對接采鹵井溶蝕腔體形態(tài)預(yù)測圖Fig.5 Prediction of cavern shape of horizontally directional butted wells

3.3 水平腔段形態(tài)檢測

V 井和H 井測得的腔體顯示互相獨(dú)立的狀態(tài)，類似于兩個單井循環(huán)采鹵形成的腔體。但兩者是連通井采鹵形成的，其底坑必定互相連通且允許鹵水流動。根據(jù)聲吶檢測和生產(chǎn)數(shù)結(jié)合井眼軌跡，計算了連通老腔的腔體形態(tài)。

為了進(jìn)一步落實兩井之間連通部分的形態(tài)特點(diǎn)，對連通井段進(jìn)行鉆探和聲吶檢測，新鉆井Vce成功鉆遇水平腔段，完鉆深度1 477.0 m，壓力測試表明，Vce井與V 井以及H 井壓力連通，驗證了水平層段的存在性，其頂板深度與水平對接井裸眼井段略淺5 m 左右，表明了水平腔段鹽層的溶蝕和擴(kuò)展是短暫而有限的，只在循環(huán)采鹵的初期發(fā)生，溶蝕發(fā)生一段時間后受飽和鹵水控制不再繼續(xù)溶蝕擴(kuò)大。

對水平段實施聲吶檢測，實測結(jié)果顯示，“腔體”最高點(diǎn)1 477.0 m，“腔體”最低點(diǎn)1 479.5 m，最大半徑0.6 m，最大直徑1.0 m，深度1 478.0 m，腔體體積0.67 m3，如同冰箱大小。

聲吶測試得到的微型腔體，實際上是鉆井過程中鉆具攪動形成的擴(kuò)大井眼，微型腔體之外仍是不溶物掩埋的狀態(tài)，這直接驗證了水平腔段沒有自由體積，屬于被不溶物完全掩埋的狀態(tài)，表明對于對接井老腔腔體形態(tài)的預(yù)測是準(zhǔn)確的，如圖6所示。

圖6 Vce 鉆井位置和聲吶檢測腔體形態(tài)立體圖及平面圖Fig.6 Drilling location and cavern shape of Well Vce

4 結(jié)論

（1）聲吶檢測技術(shù)只能揭示水平對接井老腔的腔體部分形態(tài)，老腔的自由體積僅局限于井眼附近，其余部分都被不溶物掩埋。

（2）根據(jù)聲吶檢測、生產(chǎn)資料和井眼軌跡，構(gòu)建了連通老腔腔體形態(tài)模型，計算結(jié)果表明腔體整體呈U 形形態(tài)，由井眼附近兩個類似于單井溶蝕形成的腔體和一個水平連通段組成。井眼附近的腔體大部分被不溶物掩埋，水平段完全被不溶物掩埋。

（3）對水平腔段的鉆井和聲吶檢測結(jié)果，進(jìn)一步證明了水平腔段只發(fā)生過短暫的溶蝕，形成了狹長的通道，沒有自由體積。