引言

盐穴储气库以其吞吐量大，注采灵活等独特的优势在世界范围的石油工业领域中受到越来越多的重视，金坛储气库作为中国第一座盐穴储气库，经历了10多年的发展历程^[1-4]。建库初期由于溶腔经验缺乏，建设进度缓慢，随着金坛盐穴储气库的建成以及投产运行，在原有溶腔工艺的基础上^[5-7]，通过不断试验，对溶腔腔工艺进行优化，经济高效地加快了储气库建设进度。以金坛储气库建设为例，从提高效率、减小建设成本以及盐层最大化利用方面对水溶造腔过程中的工艺进行优化。

1 水溶造腔基本流程

盐穴储气库建设主要选取含盐量较高的层段，采用水溶盐的方式进行建腔。根据地层情况，先确定可用于建库的盐层层位，然后将注采管柱下入到该盐层的指定位置，从地面管线进行注水，淡水在盐腔内与盐层充分接触后，从采卤管返出高浓度卤水。

溶腔过程中，将阻溶剂注入到设计位置，保证腔内注入水与阻溶剂上部隔离^[8-9]，防止上部盐层过早溶蚀造成盐岩浪费。根据注入和排出卤水的方式分为正循环和反循环两种方式，其中正循环是内管注入淡水，环空排出卤水(图 1a)，反循环注水排卤方式则相反：环空注入淡水，内管排出卤水(图 1b)。

储气库建设初期大部分采用正循环过量注入阻溶剂的方式进行溶腔，即从环空中注入大量阻溶剂，过剩的阻溶剂通过油套管环空返至地面，该种方法操作简单，易于观察。

2 优化方案

水溶造腔涉及的工艺参数主要包括循环模式、井下作业、阻溶剂界面监控、注采量以及盐层利用率等，在保证溶腔效果的前提下，可对各工艺参数进行优化，在提高溶腔速度的同时降低了建设投资。

2.1 采用反循环技术加快溶腔速度

(1) 采用反循环溶腔

储气库建设初期，正循环溶腔由于操作简单、易于控制被广泛采用，反循环溶腔由于阻溶剂界面位于外管管鞋上方，精确控制难度大，建设初期现场采用较少。正循环溶腔从腔体底部进行溶蚀，由于注入淡水密度小，容易上浮，在未充分溶蚀盐层的情况下就从排卤管返至地面，卤水采出浓度较低，溶腔速度缓慢。反循环溶腔由于注入水在腔体上部与盐层充分溶蚀，溶解出的低浓度卤水，在重力差和浓度差的作用下向底部和四周充分进行扩散，排出卤水浓度可达到300 g/L。选取well-1井进行试验，采用反循环溶腔时，相同排量时的排卤盐度数比正循环高25 g/L，溶腔速度可加快10%(图 2)。

(2) 井下作业次数优化

储气库建设采用反循环溶腔时，一般先采用正循环打开上部盐层，形成一段窗口，进行声纳作业确定腔体形状后，溶腔外管下放，改用反循环溶腔。因此，进行反循环时需要进行两次管柱调整作业。

反循环技术成熟之后，可在管柱位置未调整的情况下完成两个溶腔阶段，即将阻溶剂界面调整至溶腔外管管鞋上部，先进行正循环溶腔，打开盐层上部窗口；然后，流程直接转为反循环继续溶腔，优化后减少了井下管柱作业次数，并节省了井下作业的时间，大幅度提高了溶腔效率。选取well-2井进行试验，在保持溶腔管柱位置以及阻溶剂界面不变的情况下，先进行正循环溶腔然后流程转为反循环。结果显示，腔体形状模拟结果与实际测量数据基本一致(图 3)，说明优化后的溶腔方案在实际溶腔过程中切实可行。

2.2 光纤界面仪的使用以及排量优化降低溶腔成本

(1) 光纤界面仪的使用

溶腔过程中为严格控制阻溶剂界面，需定期注入阻溶剂，当阻溶剂界面在管鞋位置时，一般采用地面观察法，即从生产套管与溶腔外管环空套管注入过量阻溶剂，直至阻溶剂从环空返至地面，该种方法需要注入大量阻溶剂，尤其是在腔体直径很大的情况下，即使注入大量阻溶剂也不一定有阻溶剂返出地面，阻溶剂界面位置无法准确判断，造成资源浪费。well-3井某溶腔阶段结束后腔体形状如图 4所示，该阶段后期腔体直径约35 m，在采用地面观察法注入阻溶剂的过程中时，由于腔顶直径较大，为保证阻溶剂返至地面，每次阻溶剂注入量超过10 m$^{{\rm 3}}$，该阶段结束时，阻溶剂累计注入量约100 m$^{{\rm 3}}$。

光纤是一种对温度特别特别敏感的介质，由于卤水和阻溶剂的比热容不同，卤水和阻溶剂从光缆处的热交换也不同，处在不同介质中的光缆升温速度或降温速度不同，在介质分界面位置产生温差梯度^[10-11]。根据这一原理研发出一种光纤式阻溶剂界面仪，通过对光纤进行辅助加热，记录加热过程中不同深度处的温度分布，并通过软件计算和记录分界面的实际位置，实现全溶腔井段阻溶剂界面连续监测。

well-4井安装光纤界面仪后可在地面实时监控界面的微小变化，根据光纤界面仪的测量结果可明显判断出阻溶剂位于1 128.8 m(图 5)，根据测得的阻溶剂界面深度，确定是否要注入阻溶剂，不再需要定期注入过量阻溶剂，大幅度减小了阻溶剂的消耗量。在well-4井安装光纤界面仪后，即使在腔顶很大的情况下，阻溶剂累计注入量只有30 m$^{{\rm 3}}$，消耗量减小了近70%。

(2) 注水排量优化

储气库建设初期为保证快速溶腔，采用大排量方式溶腔，注入水由于排量较大与盐岩接触时间短，卤水浓度低，无法满足盐化企业需求，必须重新注入腔内再循环^[12-16]。

现场水溶造腔数据显示，在注入量较高的状态下，注水泵压较高，耗能较大，但是卤水返出浓度较低，溶腔量较低，并且二次循环过程中卤水密度较大，需要更大的注入压力才能将卤水排出，储气库建设投资大幅度增加；随着排量逐渐降低，泵压逐渐降低，且注入水与盐岩充分溶蚀，返出卤水浓度较高，综合比较，存在一个临界值，既可以保证采出卤水能到达盐化要求，又能大幅度降低溶腔注水耗能。

well-5井在不同排量下的泵压以及排卤盐度数据显示，排量较小时，随注入量的增加，泵压以及溶腔体积几乎成比例增加，当注水量超过一定值时，注入压力随注水量增加而增加，但是溶腔量基本不增加(图 6)。说明溶腔过程中，排量不是越大越好，而是存在一个临界值，在这一临界排量下，溶腔速度快且效率最高，统计结果显示，well-5井最优排量为80 m$^{{\rm 3}}$/h。

根据well-5井的生产状况，设定不同的注水量进行溶腔。统计表明，单位溶腔体积电费减少了40%。

2.3 充分利用盐层体积

(1) 厚夹层处理工艺

中国适用于建造盐穴储气库的盐层普遍为近水平层状分布，建库层段存在大量的石膏层、钙芒硝层、泥岩层等难溶夹层，若干夹层厚度在2 m以上，最大可达20 m。以往溶腔往往避开厚夹层^[17-22]，只在夹层下部溶腔，造成厚夹层下部盐层体积损失，最终完腔体积较小。

为了验证厚夹层的可垮塌性，选取溶腔层段含有厚夹层的well-6井与well-7井进行溶腔试验(图 7)^[12-13]。

如图 7所示，两口井厚夹层下部存在约15 m纯盐层，通过对厚夹层下部的盐层进行水溶造腔使厚夹层下部形成一定的腔体体积后发现，厚夹层下部腔体体积足够大时厚夹层会大规模垮塌，垮塌之后形成的腔体体积分别为8 000 m$^{{\rm 3}}$与12 000 m$^{{\rm 3}}$，且垮塌之后可继续在厚夹层上部溶腔，下部的盐层得到了充分利用。

(2) 盐腔整体扩容技术

盐穴储气库建设初期，主要参照国外模式，矿柱距离较大，两个腔体之间的盐岩有一程度的损失。通过对建库层段地层盐性和腔体稳定性进行分析，腔体之间的矿柱距离在保证盐腔稳定性的基础上，可适当减小。因此，对将完腔的井可进行扩容，适当增大腔体直径，可大幅增加腔体体积。

well-8井扩容结果显示，该井腔体直径在增加4 m的情况下，腔体体积增加了约1.3$\times$10$^4$ m$^3$，稳定性评结果显示，腔体在扩容后能安全稳定运行。

3 结论

(1) 采用反循环溶腔，大幅度提高了外输卤水浓度，相对于正循环使溶腔速度可提高10%；减少井下作业次数，减少了不必要的停井时间，缩短了溶腔周期，降低了溶腔成本。

(2) 采用光纤界面仪实时监控阻溶剂位置，不需要注入过量阻溶剂，减少了阻溶剂损耗；在保证溶腔速度的同时，减小注水量，大幅度降低水溶造腔的能耗。

(3) 进行厚夹层处理以及腔体整体扩容，在合理范围内，最大限度增加腔体体积，保证盐层最大化利用。