CN110005468A - 水平腔盐穴储气库及其建造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水平腔盐穴储气库，水平腔盐穴储气库包括：第一地面井口装置、第一竖直井、造斜井、倾斜水平井、水平腔、垂直腔、第二竖直井和第二地面井口装置；其特征在于：第一地面井口装置在地面与第一竖直井连接，第一竖直井与倾斜水平井通过造斜井相连，倾斜水平井埋深较浅的一端与造斜井相连，垂直腔顶部与第二竖直井底部相连，第二竖直井顶部在地面与第二地面井口装置相连；水平腔底部与倾斜水平井相连，水平腔由倾斜水平井溶解盐岩后形成的。本发明适用于层状盐岩、盐丘型盐岩和盐枕型盐岩中水平腔盐穴储气库的建设，可以增加储气库体积、有效储气体积和提高卤水排出率；建造步骤简单、可操作性强，具有较高的通用性。
Description
技术领域
本发明属于油气资源开发领域，具体地，涉及一种水平腔盐穴储气库及其建造方法。
背景技术
随着天然气在我国使用的逐渐推广和普及，如何保证天然气的平稳供给、防止出现“气荒”已经变得日益迫切。建设地下储气库是保证天然气平稳供给的有效措施之一，也是目前世界上天然气消费大国的通用做法，例如，美国天然气供应有约25％来自储气库。我国中东部地区经济发达、人口密集对清洁能源天然气的需求量日益增加，亟需建设地下储气库以确保供气安全。但是该区域附近缺乏建设地下储气库所需的衰竭油气藏，只能在盐岩地层中进行储气库建设。由于我国盐岩主要为层状盐岩，具有盐层薄、杂质含量高等不利因素，使得传统盐穴储气库建设存在以下技术难题。
(1)盐穴体积小，可存储天然气量有限。以我国中东部的金坛盐穴储气库为例，可用于建造盐穴储气库的目标盐岩层厚度平均约150m，传统单井单腔法建造出来的盐穴体积一般为20万方，远低于国外盐丘中的盐穴体积50万方，限制盐穴储气库在我国的发展。
(2)注气排卤过程中成腔率低。由于我国盐岩中含有大量杂质，这些杂质大部分不能在造腔过程中随卤水排出而是堆积在腔底，其高度一般可以达到腔体总高度的40％左右，并且这些不溶物沉渣在腔底堆积的形态各异，往往在井口正下方位置处堆积的高度最大，使得注气排卤过程中排卤管柱无法下到腔底最低位置处，导致大量卤水滞留在腔内，降低了盐穴的有效体积，成腔率低。
基于上述原因亟需发明一种水平腔盐穴储气库及其建造方法，显著增加我国薄盐层盐穴储气库建库体积和提高注气排卤过程中卤水排出率，确保中东部地区天然气使用安全。
发明内容
针对我国中东部盐岩地层薄、杂质含量高的特征，本发明提供一种水平腔盐穴储气库及其建造方法，解决了盐穴体积小、卤水排出率低的技术难题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种水平腔盐穴储气库，包括：第一地面井口装置、第一竖直井、造斜井、倾斜水平井、水平腔、垂直腔、第二竖直井和第二地面井口装置；其特征在于：第一地面井口装置在地面与第一竖直井连接，第一竖直井与倾斜水平井通过造斜井相连，倾斜水平井埋深较浅的一端与造斜井相连，倾斜水平井埋深较深的一端与垂直腔腔体高度1/2位置处相连，垂直腔顶部与第二竖直井底部相连，第二竖直井顶部在地面与第二地面井口装置相连；水平腔底部与倾斜水平井相连，水平腔由倾斜水平井溶解盐岩后形成的；水平腔右侧与垂直腔相连并且形成连通的空间，水平腔左侧与造斜井上部相连，水平腔左侧尺寸逐渐减小直到与造斜井直径相同。
优选地，水平腔盐穴储气库位于盐岩地层中，盐岩地层上部有上覆地层，盐岩地层下部有下卧层；水平腔盐穴储气库上部和下部均保留有部分盐岩层。
优选地，倾斜水平井位于水平腔盐穴储气库的底部，倾斜水平井与水平面倾角为15°。
优选地，第一竖直井采用套管进行完井和固井，造斜井和倾斜水平井为裸眼井。
优选地，垂直腔高度为120m，垂直腔底埋深为1035m、腔顶埋深为915m。
优选地，垂直腔不溶物高度为40m，不溶物顶面埋深955m。
优选地，第二竖直井采用套管进行完井和固井。
8、根据权利要求1-7所述的水平腔盐穴储气库，其特征在于：第二竖直井完井套管底部与垂直腔顶部距离优选地取为20m。
上述述的水平腔盐穴储气库建造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建造垂直腔
第二竖直井钻至设计深度、下入套管进行完井和固井，然后进行二开钻井至设计深度，安装第二地面井口装置，下入造腔外管和内管，进行造腔作业；垂直腔造腔完成后需要对其进行声纳测腔以确定腔体形状和尺寸参数；
(2)钻垂直井和倾斜水平井
垂直腔造腔完成后，钻第一竖直井和倾斜水平井并与垂直腔相连；确定出第一竖直井在水平面上与第二竖直井井口之间距离，计算公式为：倾斜水平井在平面上的投影长度+造斜井水平长度+垂直腔半径；第一竖直井钻至设计深度开始造斜，完成造斜井钻井；对第一竖直井进行完井和固井，造斜井不完井和固井为裸眼；然后进行倾斜水平井钻井至设计长度和深度，倾斜水平井与水平面的倾斜角为15°；倾斜水平井与垂直腔1/2高度位置处相连，倾斜水平井为裸眼井。
(3)建造水平腔
采用回退法进行水平腔建造；从第一竖直井中下入造腔管柱直至倾斜直井与垂直腔相距60m位置处；从造腔管柱中注入淡水或者未饱和卤水，从第二竖直井井口中将卤水排出；在造腔过程中根据采盐量来确定改变出水口位置的时间，将出水口向后移动继续造腔，重复上述过程直至水平腔造腔完成；
(4)注气排卤
注气排卤形成水平腔盐穴储气库，水平腔造腔完成后将造腔管柱从第一竖直井中起出；在第二竖直井中下入注气排卤管柱，将注气排卤管柱底部下入垂直腔不溶物顶面以上2m位置处；更换第二地面井口装置；从第一竖直井中注入高压天然气，将水平腔中的卤水从第二竖直井中的注气排卤管柱中排出，直至卤水液面达到管口以上1m位置处。
优选地，垂直腔腔体体积为20万方，造腔时间4-5年，腔体高度约为120m，腔体最大直径为80m；倾斜水平井的右端与垂直腔相连端埋深为975m，注水速率为200m3/h，一年可以采出52.5万吨的盐岩，形成20万方的空间，在造腔1年后，采用割管或者上提造腔管柱的方式，将出水口向后移动60m；共需要进行4次割管或者上提造腔管柱，可以计算出水平腔总体积为80万方，在加上垂直腔的体积为20万方，则整个水平腔盐穴储气库的有效体积可以到达100万方；由于盐岩中存在不溶物，这些不溶物在造腔过程中堆积在水平腔腔底形成水平腔不溶物。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：适用于层状盐岩、盐丘型盐岩和盐枕型盐岩中水平腔盐穴储气库的建设，可以增加储气库体积、有效储气体积和提高卤水排出率；建造步骤简单、可操作性强，具有较高的通用性。
附图说明
图1是水平腔盐穴储气库示意图；
图中：1、第一地面井口装置，2、第一竖直井，3、造斜井，4、倾斜水平井，5、第二竖直井，6、水平腔，7、垂直腔，8、垂直腔不溶物，9、出水口，10、水平腔不溶物，11、第二地面井口装置。
具体实施方式
如图1所示，水平腔盐穴储气库，包括：第一地面井口装置1、第一竖直井2、造斜井3、倾斜水平井4、水平腔6、垂直腔7、第二竖直井5和第二地面井口装置11；其中：
第一地面井口装置1在地面与第一竖直井2连接，第一地面井口装置1主要用于注入淡水、不饱和卤水、环空保护液和阻溶剂，具体根据实际造腔施工阶段来确定；第一竖直井2与倾斜水平井4通过造斜井3相连，倾斜水平井3埋深较浅的一端(图1的左端)与造斜井3相连，倾斜水平井埋深较深的一端(图1中的右端)与垂直腔7腔体高度1/2位置处相连，垂直腔7顶部与第二竖直井5底部相连，第二竖直井顶部在地面与第二地面井口装置11相连；水平腔6底部与倾斜水平井相连，水平腔由倾斜水平井溶解盐岩后形成的；水平腔右侧与垂直腔相连并且形成了一个连通的空间，水平腔左侧与造斜井上部相连，水平腔左侧尺寸逐渐减小直到与造斜井直径相同。
水平腔盐穴储气库位于盐岩地层中，盐岩地层上部有上覆地层，盐岩地层下部有下卧层；水平腔盐穴储气库上部和下部均保留有部分盐岩层；倾斜水平井位于水平腔盐穴储气库的底部，倾斜水平井与水平面倾角为15°,倾斜水平井长度根据设计确定；第一竖直井外径、第一竖直井、造斜井外径、造斜井左右端埋深、造斜井水平方向上投影长度按照设计值确定；造斜井左端与第一竖直井底部相连；造斜井右端埋深要比左端大，造斜井右端与倾斜水平井左端相连；倾斜水平井与垂直腔体相连端1/2垂直腔体高度位置处相连。
第一竖直井采用套管进行完井和固井；造斜井和倾斜水平井为裸眼井。
本例中垂直腔高度约为120m，垂直腔底埋深为1035m、腔顶埋深为915m。可知倾斜水平井的右端与垂直腔距离腔底60m位置处相连(埋深975m)。
垂直腔不溶物8高度约为40m(不溶物顶面埋深955m)，可知倾斜水平井的右端与垂直腔相连位置位于不溶物顶面以上20m，可以确保水平腔内的卤水利用自身重力流入垂直腔腔底。
第二竖直井采用套管进行完井和固井，根据设计确定出完井套管柱底部下深；第二竖直井完井套管底部与垂直腔7顶部距离优选地取为20m。
上述水平腔盐穴储气库建造方法，包括以下步骤：
(1)垂直腔建造
第二竖直井5钻至设计深度、下入套管进行完井和固井，然后进行二开钻井至设计深度；安装第二地面井口装置11，用于造腔，下入造腔外管和内管，进行造腔作业；垂直腔腔体体积一般为20万方，造腔时间4-5年，腔体高度约为120m，腔体最大直径约为80m；垂直腔造腔完成后需要对其进行声纳测腔以确定腔体形状和尺寸参数。
(2)钻垂直井和倾斜水平井钻井
垂直腔造腔完成后，钻第一竖直井和倾斜水平井并与垂直腔相连；确定出第一竖直井在水平面上与第二竖直井井口之间距离，计算公式为：倾斜水平井在平面上的投影长度+造斜井水平长度+垂直腔半径；第一竖直井钻至设计深度开始造斜，完成造斜井钻井；对第一竖直井进行完井和固井，造斜井不完井和固井为裸眼；然后进行倾斜水平井钻井至设计长度和深度，倾斜水平井与水平面的倾斜角为15°；倾斜水平井与垂直腔1/2高度位置处相连，倾斜水平井的右端与垂直腔相连端埋深为975m，倾斜水平井为裸眼井。
(3)水平腔建造
采用回退法进行水平腔建造；从第一竖直井中下入造腔管柱直至倾斜直井与垂直腔相距60m位置处；从造腔管柱中注入淡水或者未饱和卤水，从第二竖直井井口中将卤水排出；在造腔过程中根据采盐量来确定改变出水口9位置的时间；例如，注水速率为200m3/h，一年可以采出52.5万吨的盐岩，形成约20万方的空间，可以在造腔1年后，采用割管或者上提造腔管柱的方式，将出水口向后移动60m；继续造腔1年后，重复上述过程直至水平腔造腔完成；本例中一共需要进行4次割管或者上提造腔管柱，可以计算出水平腔总体积约为80万方，在加上垂直腔的体积约为20万方，则整个水平腔盐穴储气库的有效体积可以到达100万方；由于盐岩中存在不溶物，这些不溶物在造腔过程中堆积在水平腔腔底形成水平腔不溶物10。
(4)注气排卤
注气排卤形成水平腔盐穴储气库。水平腔造腔完成后将造腔管柱从第一竖直井中起出；在第二竖直井中下入注气排卤管柱，将注气排卤管柱底部下入垂直腔不溶物8顶面以上约2m位置处；更换第二地面井口装置(用于注气排卤)；从第一竖直井中注入高压天然气，将水平腔中的卤水从第二竖直井中的注气排卤管柱中排出，直至卤水液面达到管口以上1m左右位置处；注气排卤过程中由于垂直腔埋深大且水平腔底部倾斜，在自重作用下水平腔及其沉渣中的卤水可以较为容易的流入垂直腔中，进而被排出到地面，显著提高卤水排出率；进行不压井作业，将注气排卤管柱从第一竖直井中取出，形成水平腔盐穴储气库。
至此，利用本发明方法可以有效解决薄盐层中不能建大腔、卤水排出率低的难题，具有建造步骤明确、参数取值范围清晰等优点。
Claims (10)
1.一种水平腔盐穴储气库，包括：第一地面井口装置、第一竖直井、造斜井、倾斜水平井、水平腔、垂直腔、第二竖直井和第二地面井口装置；其特征在于：第一地面井口装置在地面与第一竖直井连接，第一竖直井与倾斜水平井通过造斜井相连，倾斜水平井埋深较浅的一端与造斜井相连，倾斜水平井埋深较深的一端与垂直腔腔体相连，垂直腔顶部与第二竖直井底部相连，第二竖直井顶部在地面与第二地面井口装置相连；水平腔底部与倾斜水平井相连，水平腔由倾斜水平井溶解盐岩后形成的；水平腔右侧与垂直腔相连并且形成连通的空间，水平腔左侧与造斜井上部相连，水平腔左侧尺寸逐渐减小直到与造斜井直径相同。
2.根据权利要求1所述的水平腔盐穴储气库，其特征在于：水平腔盐穴储气库位于盐岩地层中，盐岩地层上部有上覆地层，盐岩地层下部有下卧层；水平腔盐穴储气库上部和下部均保留有部分盐岩层。
3.根据权利要求1-2所述的水平腔盐穴储气库，其特征在于：倾斜水平井位于水平腔盐穴储气库的底部，倾斜水平井与水平面倾角为15°。
4.根据权利要求1-3所述的水平腔盐穴储气库，其特征在于：第一竖直井采用套管进行完井和固井，造斜井和倾斜水平井为裸眼井，第二竖直井采用套管进行完井和固井。
5.根据权利要求1-4所述的水平腔盐穴储气库，其特征在于：垂直腔底部埋深比水平腔右侧埋深要大，确保卤水依靠自重向垂直腔内流动。
6.根据权利要求1-5所述的水平腔盐穴储气库，其特征在于：垂直腔底部不溶物高度顶面埋深比水平腔右侧埋深要大。
7.根据权利要求1-6所述的水平腔盐穴储气库，其特征在于：倾斜水平井埋深较深的一端与垂直腔腔体高度1/2位置处相连。
8.根据权利要求1-7所述的水平腔盐穴储气库，其特征在于：第二竖直井完井套管底部与垂直腔顶部距离优选地取为20m。
9.权利要求1-8所述的水平腔盐穴储气库建造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建造垂直腔
第二竖直井钻至设计深度、下入套管进行完井和固井，然后进行二开钻井至设计深度，安装第二地面井口装置，下入造腔外管和内管，进行造腔作业；垂直腔造腔完成后需要对其进行声纳测腔以确定腔体形状和尺寸参数；
(2)钻垂直井和倾斜水平井
垂直腔造腔完成后，钻第一竖直井和倾斜水平井并与垂直腔相连；确定出第一竖直井在水平面上与第二竖直井井口之间距离，计算公式为：倾斜水平井在平面上的投影长度+造斜井水平长度+垂直腔半径；第一竖直井钻至设计深度开始造斜，完成造斜井钻井；对第一竖直井进行完井和固井，造斜井不完井和固井为裸眼；然后进行倾斜水平井钻井至设计长度和深度，倾斜水平井与水平面的倾斜角为15°；倾斜水平井与垂直腔1/2高度位置处相连，倾斜水平井为裸眼井。
(3)建造水平腔
采用回退法进行水平腔建造；从第一竖直井中下入造腔管柱直至倾斜直井与垂直腔的距离达到设计值；从造腔管柱中注入淡水或者未饱和卤水，从第二竖直井井口中将卤水排出；在造腔过程中根据采盐量来确定改变出水口位置的时间，将出水口向后移动继续造腔，重复上述过程直至水平腔造腔完成；
(4)注气排卤
水平腔造腔完成后将造腔管柱从第一竖直井中起出；在第二竖直井中下入注气排卤管柱，将注气排卤管柱底部下入垂直腔不溶物顶面以上2m位置处；更换第二地面井口装置；从第一竖直井中注入高压天然气，将水平腔中的卤水从第二竖直井中的注气排卤管柱中排出，直至卤水液面达到管口以上1m位置处；进行不压井作业，将注气排卤管柱从第一竖直井中取出，形成水平腔盐穴储气库。
10.根据权利要求9所述的水平腔盐穴储气库建造方法，其特征在于：首先进行垂直腔腔体建造，达到设计体积和形状；根据水平腔设计体积和注水速率确定出每步步长和造腔时间，采用割管或者上提造腔管柱的方式，将出水口向后移动，开始下一步造腔，直至完成水平腔建造；由于盐岩中存在不溶物，不溶物在造腔过程中堆积在水平腔腔底形成水平腔不溶物。
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