CN109187321B - 一种大尺寸型盐水平连通井组水溶造腔模拟实验方法 - Google Patents

Abstract

一种大尺寸型盐水平连通井组水溶造腔模拟实验方法，涉及在薄盐层区域造腔的腔体形态扩展规律与控制、井下灾害防控的技术领域。本发明通过可视化模拟实际工程中不同注水流量、不同阶段、有无油垫、注采方向等情况，溶腔形态的发展规律，从而获取盐岩水平连通井组水溶造腔过程腔体形态控制的最优生产参数与工艺、获得井下灾害防控机理与技术手段，指导现场生产。

Description

一种大尺寸型盐水平连通井组水溶造腔模拟实验方法

技术领域

本发明涉及在薄盐层中开展水平连通井组水溶造腔形态控制及灾害防控的技术领域，更细致的是要解决薄盐层中水平连通井组腔体形态扩展规律与控制问题。

背景技术

盐岩是地壳中密实度最好、孔隙度最低的岩石，属于一种特殊的化学沉积岩。盐岩的主要成分是NaCl，常常通过钻井水溶开采方法获取深部地层的盐矿资源。盐岩水溶开采后在深部地层中将形成巨大的采空区（俗称溶腔）。由于盐岩地层本身的致密性、良好塑性、损伤自愈合性质，盐岩溶腔常常被用来进行石油、天然气、无毒废弃物等物质的储存。

在国外，盐岩储气储库普遍建造在厚度大、体量大、均质性好的盐丘地层（>500-1000m，最厚2km）或厚盐层（300-500m或更厚）中，所以普遍采用的单井水溶造腔法，易于形成高度（最高640m）和直井都较大的形态规则的巨型竖直溶腔。如，位于墨西哥湾的美国战略石油储备库就建造在盐丘地层中，总共有63个盐腔，储存的原油超过7亿桶。这些腔体都是高度达200m以上，体积达到几十万方的竖直柱形溶腔。

然而，在我国需要建造盐岩油气储库的盐岩均为湖相沉积的薄层状盐岩，具有整体厚度小（一般<100-120m，甚至更薄），含有一定的杂质和夹层。在此类地层中依然沿用国外的单井竖直井造腔方法，存在一些难以克服的问题与不足，如下：

1、限于盐层总厚度偏小，除掉腔体顶板/底板保护盐层，建造的腔体鲜有超过100m的腔体，整体经济性有限。

2、限于只有一个井眼，里面包含了复杂的管柱系统（中心管、中间管、技术套管），而注水采卤均在一套管柱系统完成，注水流量有限，溶蚀速率很小，导致很慢的造腔速率，建造一座体积15-20万方的腔体需要耗时5年左右时间。

3、由于管柱尺寸小，流量小，导致管柱结垢、堵塞、管碰等事故频发，修井作业频繁，进一步增加了造腔成本、延长了建造周期。

4、单井溶腔的流量有限，注入淡水的溶蚀影响范围有限，从而对腔体的轮廓控制也存在一定的难度，难以达到预定的腔体轮廓，影响后期整体稳定性。

由此可见，采用单井水溶造腔方法，对于我国特有的薄盐层具有诸多缺点与不足。因此，业内人员提出了利用水平连通井组水溶开采工艺，建造水平溶腔来解决薄盐层中建造油气储库的问题。所谓水平连通井组水溶造腔，就是通过一直井、一斜井与目标盐层相连，利用水平连通技术，使斜井与直井的井眼相连，然后下入套管固井。注水可以从直井注，斜井采；也可以从斜井注、直井采。水平连通井组造腔对盐层的厚度没有特殊要求，在采卤行业，即便是厚度只有10-20m的盐层也可以采用该方法。当然，为了确保后期油气储备腔体具有较大的体积及足够的腔顶保护层，一般要求盐层厚度不小于60m。

相比单井水溶造腔法，水平连通井组造腔方法的优越性极为明显：水平连通井组造腔有两套管柱系统，注水流量比单井要高很多，可以达到2-4倍；同时，由于注水管柱和采卤管柱的管口位置较远（一般>100-400m），淡水有足够的时间溶蚀盐岩和迁移，所以采得的卤水都完全饱和，由此，造腔效率显著高于单井；由于管柱系统的简化，管堵、结构、管碰等事故显著减少，节省了造腔成本。因此，水平连通井组对于我国薄盐层具有很好的适应性，可以缩短造腔时间，节省造腔成本，同时获得更大体积的溶腔，综合经济效益显著。

但水平连通井组也面临一些问题，由于声呐测腔不能测试水平段的轮廓，故水平溶腔的腔体轮廓扩展规律未知，也就很难提出相应的腔体形态控制工艺技术，对如何获取形态规则、体积较大的储备腔，学术界仍然有争议。

发明内容

本发明针对薄盐层地层中的造腔问题，提出一种方便、高效的超大尺寸型盐水平连通井组水溶造腔模拟实验方法。

本发明目的是解决如何使水平腔体形态规则、体积更大的技术瓶颈，解决腔体在水平区域难溶造成尺寸小的问题，以及防控腔体顶板上溶过快和水平通道与管路堵塞等井下灾害。

本发明技术方案包括以下步骤：

1）根据勘验的待进行储油气库造腔的盐岩区域地质构造及组分特征，配置盐粉，并压制大尺寸型盐试件；

2）在型盐试件的同一个表面制出两个井眼槽、一个水平槽，并使水平槽的两端分别与两个井眼槽的下端相连接，由两个井眼槽和一个水平槽构成的井眼轨迹模拟现场水平连通井组的井眼轨迹；

3）在制有两个井眼槽的型盐试件的表面密封粘结确保实验可视化的透明硬质板；

4）通过两个井眼槽分别注入饱和卤水和油垫，直至把井眼槽灌满；

5）造腔模拟阶段：通过一个井眼槽注入清水，通过另一个井眼槽采集卤水，在等间隔时间测试排出的卤水的瞬时浓度，并用摄像机记录对应时的腔体形状；待前一个造腔阶段完成后，根据已形成的腔体形态，改变注水排量、注水方向、油垫位置中的一项或两项，进入下一个造腔阶段；

6）所有造腔阶段完成后，进行实验分析，并制定新的实验方案。

造腔模拟须解决的主要问题包括：腔体形态控制问题、腔体管柱距离优化问题、腔体顶板上溶控制等问题，通过探索流量、油垫、出水口位置、倒井等技术参数的探索，为解决水平连通井组的腔体形态控制与灾害控制提供基础理论与技术准备。

本发明提出了利用超大岩石压制模具，充分利用盐粉压缩重结晶形成盐岩的性质，压制了超大尺寸型盐，并利用该型盐进行水平连通井组的造腔仿真模拟实验，形成一种超大尺寸型盐水平连通井组造腔模拟实验方法，解决水平连通井组腔体发展不明、形态难控制的技术难题。

本发明通过可视化模拟实际工程中不同注水流量、不同阶段、有无油垫、不同注水方式（直井或斜井）等情况下，溶腔形态的发展规律，从而获取薄盐岩水平连通井组水溶造腔工艺过程中最优生产参数，指导现场生产。

通过以上模拟试验，能很好地展现不同参数影响下的腔体形态发展情况，有效研究水平连通井组水溶造腔的机理，分析各因素对造腔的影响规律，进而调整优化工艺参数，为指导现场施工制定行之有效的方案。取得一系列可用于实际操作的水平连通井组水溶造腔操作步骤和各造腔阶段的操作参数，以使水平连通井组水溶造腔方法可应用于薄盐层、多夹层区的盐层中，流场影响区域扩大，对流溶蚀速率高，从而将加快造腔速度。

本发明提供的大尺寸型盐连通井组水溶造腔模拟实验方法，可用于研究盐岩水平连通井组水溶溶腔体溶蚀及发展机理，以及对实际工程中不同注水流量、不同阶段、有无油垫、不同注水方式（直井或斜井）、出水口位置改变等不同造腔参数与工艺研究，获取薄盐岩水平连通井组水溶造腔工艺过程中腔体形态发展与井下灾害控制方法，为薄盐层水平连通井组造腔与灾害控制提供最优生产参数与控制手段，有效指导现场生产。

通过以上模拟试验，能很好的展现不同参数与工艺影响下的腔体形态发展情况，有效研究水平连通井组水溶造腔的机理，分析解决造腔过程中的各类问题所对应的技术参数与手段，以及解决各类井下灾害的防控机理，以促进水平连通井组水溶造腔方法在薄盐层地层中的技术升级与推广，促进我国水平井组的造腔速度，推进盐穴油气储备的国家重大需求。

本发明提供的大尺寸型盐连通井组水溶造腔模拟实验方法，可用于研究盐岩水平连通井组水溶腔体腔体扩展规律与井下灾害防控，主要采取的手段包括模拟实际工程中不同注水流量、不同阶段、有无油垫、不同注水方式（直井或斜井）、出水口位置等因素下进行溶腔形态可视化模拟实验分析，实现工程实际与理论相结合，探究水平连通井组水溶造腔工艺过程中最优生产参数与工艺，探索对井下灾害的调控机理与技术手段，确保水平井组造腔的有序推进、规避潜在井下事故风险，为水平井组造腔提供良好的实施环境，创造更大经济效益，以最快捷最经济的方式获得形态规则、体积较大的水平腔体。

本发明可以解决单井油垫法造腔慢、成本高的问题，可极大提高我国储气库的建造速度；在薄盐层中，本发明解决了单井造腔法在薄盐层实施困难的问题，使得我国广泛分布的薄盐层得以造腔利用；水平连通井组水溶造腔可以避免薄盐层中单井成腔体积小、造价高、形态控制难等诸多技术问题与造价困惑，本发明的整体经济性和造腔适用性显著高于单井油垫造腔方法。

另外，本发明所述两个开口槽中一个为斜形槽，另一个为直形槽。斜形槽模拟的是现场的“斜井”，自形槽模拟的是现场的“直井”。这种设计是基于让斜井可以在水平盐层中钻进井眼，然后与直井段连通，这样形成水平连通井段。本发明旨在探索一种新的岩盐造腔方法，提高造腔效率和岩盐利用率。

造腔阶段完成后的腔体形状为模拟实际生产后期的水平连通井组的腔体形状。

这种模拟实际生产后期的水平连通井组的造腔生产情况，可用于分析出生产存在的问题，如上溶过快的原因等，提出控制上溶的措施等。

造腔阶段完成后的腔体形状为模拟实际生产中期的水平连通井组的腔体形状。

这种模拟实际生产中期的水平连通井组的造腔生产情况，根据腔体发展情况，优化后期造腔生产参数，促进水平段溶解，提高造腔效率和岩盐利用率。

造腔阶段完成后的腔体形状为模拟未造腔的水平连通井组的腔体形状。

这种模拟新的水平连通井组造腔，以增加溶腔水平段体积为目标，研究腔体形态的变化特征和扩展规律，优化注水流量、油垫、出水口位置、倒井等参数，在保证安全矿柱和腔体稳定的情况下，以期获得最大的腔体体积。

附图说明

图1为第一造腔阶段中，初始取得的溶腔形态发展实况图。

图2为第一造腔阶段中，经过9小时后取得的溶腔形态发展实况图。

图3为第一造腔阶段中，经过18小时后取得的溶腔形态发展实况图。

图4为第一造腔阶段中，经过27小时后取得的溶腔形态发展实况图。

图5为第一造腔阶段中，经过36小时后取得的溶腔形态发展实况图。

图6为第一造腔阶段中，经过45小时后取得的溶腔形态发展实况图。

图7为第一造腔阶段中，经过54小时后取得的溶腔形态发展实况图。

图8为第一造腔阶段中，经过63小时后取得的溶腔形态发展实况图。

图9为第一造腔阶段中，经过72小时后取得的溶腔形态发展实况图。

图10为第一造腔阶段中，经过81小时后取得的溶腔形态发展实况图。

图11为第一造腔阶段中，经过90小时后取得的溶腔形态发展实况图。

图12为第二造腔阶段中，经过2小时取得的溶腔形态发展实况图。

图13为第二造腔阶段中，经过4小时取得的溶腔形态发展实况图。

图14为第二造腔阶段中，经过6小时取得的溶腔形态发展实况图。

图15为第二造腔阶段中，经过8小时取得的溶腔形态发展实况图。

图16为第二造腔阶段中，经过10小时取得的溶腔形态发展实况图。

具体实施方式

一、型盐试件准备：

先根据勘验的待进行储油气库造腔的薄盐层区域地质构造特征，模拟薄盐层区域的成分配置盐粉，然后采用超大尺寸型盐压制模具，利用15000kN高压制力，制得长度为800mm、宽度400mm、高度500mm的超大尺寸型盐试件。

二、水平连通井组水溶造腔模拟实验方法：

1、对上述型盐试件进行手工打磨处理，特别是对其中一个大面（即需要与透明硬质板粘结的平面）进行重点打磨，以提高该型盐试件表面的平整度。

2、对型盐试件进行开槽处理：

采用钻头直径为6mm的钻机，在需要与透明硬质板粘结的平面上开出一条斜形井眼槽、一条直形井眼槽和一条水平槽，并使水平槽的两端分别与斜形井眼槽的下端和直形井眼槽的下端连接。

3、对斜形井眼槽的上端和直形井眼槽的上端分别进行适当的扩槽处理，以确保后期的橡胶塞能够密封住各井口。

4、粘结透明硬质板：

在开有斜形井眼槽、直形井眼槽和水平槽的型盐试件的该平面涂上透明的环氧树脂胶，并将一块透明硬质板与该面贴结牢固，同时做好其他部位的防水处理。

至此，由斜形井眼槽与透明硬质板构成了模拟现场的斜井井眼；由直形井眼槽与透明硬质板构成了模拟现场的直井井眼；由水平槽与透明硬质板构成了模拟现场的水平井井眼。

由于水平槽的两端分别与斜形井眼槽的下端和直形井眼槽的下端连接，因此斜井井眼和直井井眼的下端由水平井井眼连通，就构成了模拟现场水平连通井组的井眼轨迹。

在粘结前在斜形井眼槽和直形井眼槽的上部各自预埋一根胶管，并使每一根胶管的外端留在型盐试件上方，为后期注入油垫提供通道。

5、在两根胶管的外端分别连接注射器，采用注射器预先向任一井眼内先注入饱和卤水，然后再通过注射器分别由两个井眼注入油垫，直至把水平连通井组的井眼内部空间灌满。

6、第一造腔阶段——斜井端注入淡水、直井端采卤阶段：

通过橡胶塞将注水管连接在斜井井眼的井口上端的胶管相连，通过另一橡胶塞将采卤管与直井井眼的井口上端的胶管相连，并用AB胶将各自的连接口密封住。通过注水管向斜井井眼内注入清水，流量由流量计控制，在直井井眼的井口位置收集排出的卤水。

每10分钟测量排出的卤水浓度，并用摄像机记录此时的动态腔体形状发展，如图1～11所示，并每30分钟测得排出的卤水浓度的平均浓度值及体积，以便后面进行数据分析。

以上每10分钟测试的排出的卤水的瞬时浓度。而30分钟测试平均浓度和体积，是为了后期通过卤水的排出量计算溶蚀的盐的体积，采用平均数可以避免时间点测试带来的误差，同时对浓度的整体发展趋势有所把握。

该第一造腔阶段的具体参数记录如下：

1）0～48 h，采取“斜井注直井采”，注水量控制10 ml/min，完成一个造腔阶段；

2）48～63 h，从斜井井口软管注入油垫，阻止腔体顶部溶解，注水排量10 ml/min；

3）63～77 h，保持斜井端腔体顶部的油垫量和位置，保持从斜井注水、直井采卤，排量从10 ml/min上升至20 ml/min；

4）77～90 h，保持腔体顶部的油垫、保持斜井注水直井采卤，但改变注水排量，降为16.7 ml/min，促进水平段溶腔溶蚀加快。

7、第二造腔阶段（改变注水方向，以加快直井端及水平段腔体发展）——直井端注淡水、斜井端采卤水阶段：

调换注水和采卤的方向，改为“直井注斜井采”，进入第二造腔阶段。

同理，每10分钟测量排出的卤水浓度，并用摄像机记录此时的腔体形状，如图12～16所示，并每30分钟测得排出的卤水浓度的平均浓度值及体积，以便后面进行数据分析。

以上各造腔阶段中应注意补入油垫，保持油垫位置基本不变，但全程只有斜井端注油垫，直井端不注。

该案例，大约相当于现场造腔的总时间为800天。

8、实验分析处理：

根据摄像机影像，采用影像处理软件截取腔体轮廓的各个位置的坐标（x,y）值下、每隔9～10h时对应的造腔阶段溶腔形态，测量腔体大小、高度等，采用数据处理软件，按溶腔尺寸制成不同时间时溶腔形态发展图，研究注水排量、注水方向、有无油垫保护等参数下水平连通井组水溶造腔规律。最终给出了腔体的造腔全过程的腔体轮廓发展叠加图。

虽然摄像机已经记录了腔体在各个时间点的平面形轮廓，但是腔体轮廓的具体尺寸是不知道，比如具体高度、宽度，这个时候就需要采取数据处理软件，获取腔体轮廓的各个位置的坐标，便于对腔体的轮廓做出定量分析。

数据处理软件，就是对腔体轮廓的坐标定量化。

几个方面：

1）流量方面，通过本发明研究了不同流量对腔体发展的影响规律，可以指导现场做最优化流量设计；

2）通过本实验，得到了斜井段或直井段的腔体发展影响范围，可以指导现场设计两口井眼的距离。

三、总结：

本案例中，注水量（或排出的卤水量）10 ml/min、20 ml/min，对应现场注水流量分别为80 m³/h、160 m³/h。

而单井的现场注水流量一般小于50 m³/h，仅为水平连通井组的31～62 %，同时水平连通井组整体出卤浓度高于单井。这样的话，相同时间内水平连通井组溶蚀的腔体可以达到单井的1.6～3.2倍，水平连通井组水溶造腔效率提高非常明显。

Claims (4)

1.一种大尺寸型盐水平连通井组水溶造腔模拟实验方法，其特征在于包括以下步骤：

1）型盐试件准备：根据勘验的待进行储油气库造腔的盐岩区域地质构造及组分特征，配置盐粉，利用15000kN高压制力，制得长度为800mm、宽度400mm、高度500mm的大尺寸型盐试件；

2）型盐试件打磨处理：对所述型盐试件进行手工打磨处理，对其中一个需要与透明硬质板粘结的平面的大面进行重点打磨；

3）模拟现场水平连通井组工艺结构制作：

①型盐试件进行开槽处理：采用钻头直径为6mm的钻机，在需要与透明硬质板粘结的型盐试件的同一个表面制出两个井眼槽、一个水平槽，所述两个井眼槽其中一个为斜形井眼槽，另一个为直形井眼槽；并使水平槽的两端分别与斜形井眼槽的下端和直形井眼槽的下端连接，由两个井眼槽和一个水平槽构成的井眼轨迹模拟现场水平连通井组的井眼轨迹；

②对斜形井眼槽的上端和直形井眼槽的上端分别进行适当的扩槽处理，以确保后期的橡胶塞能够密封住各井口；

③在斜形井眼槽和直形井眼槽的上部各自预埋一根胶管，并使每一根胶管的外端留在型盐试件上方，为后期注入油垫提供通道；在两根所述胶管的外端分别连接注射器；

④在开有斜形井眼槽、直形井眼槽和水平槽的型盐试件的该平面涂上透明的环氧树脂胶，并将一块透明硬质板与该面贴结牢固，同时做好其他部位的防水处理；

4）利用所述的注射器预先向任一井眼内先注入饱和卤水，然后再通过注射器分别由两个井眼注入油垫，直至把水平连通井组的井眼内部空间灌满；

5）造腔模拟阶段：通过一个井眼槽注入清水，另一个井眼槽采集卤水，在等间隔时间测试排出的卤水的瞬时浓度，并用摄像机记录对应时的腔体形状；待前一个造腔阶段完成后，根据已形成的腔体形态，改变注水排量、注水方向、油垫位置中的一项或两项，进入下一个造腔阶段；具体包括以下内容：

①第一造腔模拟阶段操作：采用为斜井注水、直井采卤的方式，通过注水管向斜井井眼内注入清水，流量由流量计控制，在直井井眼的井口位置收集排出的卤水，具体工艺参数控制为：1）0～48 h，采取“斜井注直井采”，注水量控制10ml/min；2）48～63 h，从斜井井口软管注入油垫，阻止腔体顶部溶解；注水排量保持为10ml/min；3）63～77 h，保持斜井端腔体顶部的油垫量和位置；保持从斜井注水、直井采卤，注水排量从10 ml/min上升至20 ml/min；4）77～90 h，保持腔体顶部的油垫位置，继续保持斜井注水、直井采卤，但注水排量降为16.7 ml/min，促进水平段溶腔溶蚀加快；同时，上述模拟操作期间，每10分钟测量排出的卤水浓度，并用摄像机记录此时的动态腔体形状发展，并且每30分钟测得排出的卤水浓度的平均浓度值及体积；

②第二造腔阶段模拟操作：第一造腔阶段模拟结束后，调换注水和采卤的方向，改为直井注、斜井采的方式，进入第二造腔阶段模拟操作；该造腔阶段保持直井注、斜井采的方式；该阶段也通过斜井端注油垫，并保持油垫位置不变；注水排量与第一阶段相同；并且摄像机记录方式以及卤水浓度及体积记录方式均与第一阶段相同；

6）实验分析处理：根据摄像机拍摄的腔体轮廓，采用影像处理软件进行定量分析，制成腔体的造腔全过程溶腔轮廓发展图；所有造腔阶段完成后，进行实验分析，并制定新的实验方案。

2.根据权利 要求1所述大尺寸型盐水平连通井组水溶造腔模拟实验方法，其特征在于造腔阶段完成后的腔体形状为模拟实际生产后期的水平连通井组的腔体形状。

3.根据权利 要求1所述大尺寸型盐水平连通井组水溶造腔模拟实验方法，其特征在于造腔阶段完成后的腔体形状为模拟实际生产中期的水平连通井组的腔体形状。

4.根据权利 要求1所述大尺寸型盐水平连通井组水溶造腔模拟实验方法，其特征在于造腔阶段完成后的腔体形状为模拟未造腔的水平连通井组的腔体形状。

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