CN110388231A - 一种盐穴储气库造腔装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盐穴储气库造腔装置及方法，属于天然气储集领域。该方法包括：确定造腔的上界面及下界面，钻竖直井，将套管固定在竖直井内，使套管的底端位于上盐层面以下，上界面以上。安装井口设备，将造腔管柱通过井口设备和套管下入竖直井内，使造腔管柱的底端位于上界面以下，下界面以上。通过输气管向竖直井内注入预设量的氮气，通过注水管向竖直井内注水，盐层溶解在水中，通过控制阀门启闭，使含盐水通过排卤管排出，注水预设时间后，完成造腔。本发明通过能够用于在盐层中造腔获得盐穴储气库，注水、排盐过程包括正循环和反循环两种方式，适应不同造腔时期不同的生产需求。且，通过采用氮气作为阻溶剂成本较低，避免了环境污染。

Description

一种盐穴储气库造腔装置及方法

技术领域

本发明涉及天然气储集领域，特别涉及一种盐穴储气库造腔装置及方法。

背景技术

地下储气库是油气管道的配套设施，具有保障市场安全平稳用气和季节性应急调峰的重要作用。盐穴储气库是地下储气库的一种，通过在地下盐层进行造腔可以获得盐穴储气库。因此，有必要提供一种盐穴储气库造腔方法。

现有技术采用水溶造腔法进行盐穴储气库造腔。造腔过程中，通过管串向盐层注水溶解盐层，并在造腔过程中注入柴油作为阻溶剂，控制腔体的形状。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：

使用柴油作为阻溶剂成本较高，且对环境污染严重。

发明内容

本发明实施例提供了一种盐穴储气库造腔装置及方法，可解决上述技术问题。具体技术方案如下：

第一方面，提供了一种盐穴储气库造腔装置，所述装置包括：套管、造腔管柱、井口设备、注氮设备、注水设备；

所述套管用于固定在钻好的竖直井的内壁上；

所述造腔管柱包括：T型外管、T型内管、注水管、排卤管；

所述井口设备固定于地面，且与所述套管连通，且侧壁设置有与所述套管连通的输气管；

所述T型外管动密封地穿过所述井口设备的顶面，且所述T型外管顶部的第一支管和第二支管位于所述井口设备外部；

所述T型内管套设于所述T型外管内，且所述T型内管顶部的第三支管和第四支管位于所述T型外管的上方；

所述第一支管、所述第三支管均与所述注水管连通；

所述第二支管、所述第四支管均与所述排卤管连通；

所述输气管、所述第一支管、所述第二支管、所述第三支管、所述第四支管内均设置有阀门；

所述注氮设备与所述输气管连通，用于注氮；

所述注水设备与所述注水管连通，用于注水。

在一种可能的设计中，所述注水管内设置有第一安全阀，所述注水管的内部压力超过预设值时，所述第一安全阀关闭；

所述排卤管内设置有第二安全阀，所述排卤管的内部压力超过预设值时，所述第二安全阀关闭。

在一种可能的设计中，所述T型内管的底端比所述T型外管的底端低10-60m。

在一种可能的设计中，所述注氮设备包括：顺次连接的液氮储罐以及液氮泵，所述液氮泵与所述输气管连通。

在一种可能的设计中，所述装置还包括：用于实时检测造腔过程中气水界面位置的检测设备。

第二方面，提供了利用上述任一项所述的装置进行盐穴储气库造腔的方法，所述方法包括：

确定造腔的上界面及下界面；

钻竖直井，使所述竖直井的底端高出所述下界面10-12m；

将所述套管固定在所述竖直井内，使所述套管的底端位于上盐层面以下，所述上界面以上；

安装井口设备；

将所述造腔管柱通过所述井口设备和所述套管下入所述竖直井内，使所述造腔管柱的底端与所述竖直井的底端持平；

利用注氮设备，通过所述输气管向所述竖直井内注入预设量的氮气；

利用注水设备，通过所述注水管向所述竖直井内注水，盐层溶解在水中，通过控制阀门启闭，使含盐水通过所述排卤管排出，注水预设时间后，完成造腔。

在一种可能的设计中，下入所述造腔管柱时，所述T型外管的底端比所述上界面低10-15m。

在一种可能的设计中，开始注水时，打开所述第二支管、所述第三支管上的所述阀门，关闭所述第一支管、所述第四支管上的所述阀门，使水通过所述T型内管注入所述竖直井内；

注水预设时间后，打开所述第一支管、所述第四支管上的所述阀门，关闭所述第二支管、所述第三支管上的所述阀门，使水通过所述T型内管与所述T型外管的环空注入所述竖直井内。

在一种可能的设计中，所述方法还包括：利用所述检测设备实时检测造腔过程中的所述气水界面位置；

将所述气水界面位置与所述上界面进行对比，若所述气水界面位置与所述上界面相同，则符合预期生产要求。

在一种可能的设计中，所述方法还包括：对造腔过程中所述注水管内的压力、所述排卤管内的压力、所述排卤管中排出的含盐水的流量和浓度进行监控，获得监控数据；

通过对所述监控数据进行分析处理，判断造腔过程是否顺利进行。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例提供的盐穴储气库造腔装置及方法能够用于在盐层中造腔获得盐穴储气库，注水、排盐过程包括正循环和反循环两种方式，适应不同造腔时期不同的生产需求。且，通过采用氮气作为阻溶剂成本较低，避免了环境污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的盐穴储气库造腔装置造腔时的结构示意图。

其中，位于上方的虚线表示上盐层面，位于下方的虚线表示气水界面。

附图标记分别表示：

1-套管，

2-造腔管柱，

201-T型外管，

2011-第一支管，

2012-第二支管

202-T型内管，

2021-第三支管，

2022-第四支管，

203-注水管，

2031-第一安全阀，

204-排卤管，

2041-第二安全阀，

3-井口设备，

301-输气管，

4-检测设备，

X-竖直井。

具体实施方式

除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种盐穴储气库造腔装置，如附图1所示，该装置包括：套管1、造腔管柱2、井口设备3、注氮设备、注水设备；

套管1用于固定在钻好的竖直井X的内壁上。

造腔管柱2包括：T型外管201、T型内管202、注水管203、排卤管204。

井口设备3固定于地面，且与套管1连通，侧壁设置有与套管1连通的输气管301。

T型外管201动密封地穿过井口设备3的顶面，且T型外管201顶部的第一支管2011和第二支管2012位于井口设备3外部。

T型内管202套设于T型外管201内，且T型内管202顶部的第三支管2021和第四支管2022位于T型外管201的上方。

第一支管2011、第三支管2021均与注水管203连通，第二支管2012、第四支管2022均与排卤管204连通。

输气管301、第一支管2011、第二支管2012、第三支管2021、第四支管2022内均设置有阀门；

注氮设备与输气管301连通，用于注氮，注水设备与注水管203连通，用于注水。

以下对本发明实施例提供的造腔装置的工作原理进行说明：

应用时，首先钻竖直井X，套管1用于固定在钻好的竖直井X的内壁上，保证注氮过程以及造腔结束后储气时，氮气和天然气不与地层接触，避免气量损失以及天然气外泄带来的环境污染。

T型外管201动密封地穿过井口设备3的顶面，T型内管202套设于T型外管201内，第一支管2011、第三支管2021均与注水管203连通，第二支管2012、第四支管2022均与排卤管204连通。通过造腔管柱2能够完成注水以及排出含盐水过程。其中，打开第二支管2012、第三支管2021上的阀门，关闭第一支管2011、第四支管2022上的阀门，注水时的水流顺次通过注水管203、第三支管2021、T型内管202向下流动，含盐水顺次通过T型内管202与T型外管201的环空、第二支管2012、排卤管204流出(以下简称上述过程为正循环)。打开第一支管2011、第四支管2022上的阀门，关闭第二支管2012、第三支管2021上的阀门时，注水时，水流顺次通过注水管203、第一支管2011、T型内管202与T型外管201之间的环空向下流动，含盐水顺次通过T型内管202、第四支管2022、排卤管204流出(以下简称上述过程为反循环)。两种循环方式均可以实现注水溶解盐层以及含盐水的返排。

井口设备3固定于地面，且与套管1连通，侧壁设置有与套管1连通的输气管301。利用注氮设备，通过输气管301能像竖直井X内注入氮气。可以理解的是，输气管301上的阀门在注入氮气时打开，停止注入时关闭避免氮气外泄。

本发明实施例提供的盐穴储气库造腔装置，能够用于在盐层中造腔获得盐穴储气库，注水、排盐过程包括正循环和反循环两种方式，适应不同造腔时期不同的生产需求。且，通过采用氮气作为阻溶剂成本较低，避免了环境污染。

上述输气管301、第一支管2011、第二支管2012、第三支管2021、第四支管2022内的阀门均可以为气密闸阀。气密闸阀为本领域常见的，举例来说，气密闸阀可以为美钻石油钻采系统工程(上海)有限公司公司销售的MSP气密封闸阀。T型内管202的上端也可以设置有闸阀，通过打开或关闭T型内管202内的闸阀控制T型内管202是否畅通。

其中，输气管301可以包括第一输气管、第二输气管，第一输气管、第二输气管内均设置有阀门。如此，可以将注氮设备与第一输气管连通进行注氮，需要排出氮气时，无需拆卸注氮设备，打开第二输气管中的阀门进行排气即可，降低了劳动强度。或者，注氮设备也可以与第二输气管连通进行注氮，通过第一输气管进行排气。

对于井口设备3的结构，以下进行示例说明：

井口设备3内设置有与套管1连通的内腔，且井口设备3的侧壁设置有与内腔连通的输气管301，以实现输气管301与套管的连通。井口设备3的顶面可以设置有与所述T型外管201相适配的过孔，以使造腔管柱2能够通过井口设备3下入竖直井X中，造腔结束后能够起出造腔管柱2，且在造腔过程中能保持密封。

注水管203内设置有第一安全阀2031，注水管203内的压力超过预设值时，第一安全阀2031关闭；

排卤管204内设置有第二安全阀2041，排卤管204内的压力超过预设值时，第二安全阀2041关闭。

通过设置第一安全阀2031、第二安全阀2041，使造腔过程更安全，避免安全事故的发生。

其中，第一安全阀2031、第二安全阀2041可以为美钻石油钻采系统工程(上海)有限公司生产并销售的MSP液压安全阀门。

本发明实施例中，T型内管202的底端比T型外管201的底端低10-60m，举例来说，可以为10m、40m、60m等。如此设置，正循环时，从T型内管202注水，T型内管202底端的盐层先开始溶解，避免发生从T型内管202与T型外管201的环空注水，T型外管201底端的盐层溶解时不溶物向下沉积封堵T型内管202底端的风险。注水预设时间后，采用反循环，T型内管202的底端较低，使排出含盐水的浓度较高，提高水资源的利用率和造腔效率。

注氮设备包括：顺次连接的液氮储罐与液氮泵，液氮泵与输气管301连通。

通过液氮储罐输出液氮，液氮泵用于将液氮气化并加压向输气管301内输送，能够为注氮过程提供氮气。

其中，液氮储罐可以设置在运输车进行移动，液氮泵可以为液氮泵车上的液氮泵。如此设置，造腔结束后注氮设备可以移动至其它场地应用于其它注氮场所，实现设备的反复利用，避免了资源浪费。

液氮泵车与液氮运输车为本领域常见的，举例来说，液氮泵车可以为烟台杰瑞石油装备技术销售的YDC8000KDFG型号液氮泵车。

本发明实施例提供的盐穴储气库造腔装置还包括：用于实时检测造腔过程中气水界面位置的检测设备4。

通过检测设备4对造腔过程中的气水界面的位置进行实时检测，掌握气水界面的位置，判断气水界面的位置是否符合预期生产要求。

检测设备4可以选用中国实用新型专利CN201220371077.6公开的井下介质监测装置来进行气水界面位置的检测。

第二方面，本发明实施例提供了利用上述任一项的装置进行盐穴储气库造腔的方法，该方法包括：

确定造腔的上界面及下界面；

钻竖直井X，竖直井X的底端高出下界面10-12m；

将套管1固定在竖直井X的内壁上，使套管1的底端位于上盐层面以下，上界面以上；

安装井口设备3；

将造腔管柱2通过井口设备3和套管1下入竖直井X内，使造腔管柱2的底端与竖直井X的底端持平；

利用注氮设备，通过输气管301向竖直井X内注入预设量的氮气；

利用注水设备，通过注水管203向竖直井X内注水，盐层溶解在水中，通过控制阀门启闭，使含盐水通过排卤管204排出，注水预设时间后，完成造腔。

首先根据预期需求确定造腔的上界面、下界面，可以理解的是，造腔的上界面在上盐层面以下，下界面在下盐层面以上。钻竖直井X，竖直井X的底端高出下界面10-12m，便于通过竖直井X下入造腔装置。钻井结束后，将套管1固定在竖直井X的内壁上，且套管1的底端位于上盐层面以下，下界面以上。如此设置，套管1不对造腔过程造成干扰，且能保证注氮过程以及造腔结束后储气时，氮气和天然气不与地层接触，避免气量损失以及天然气外泄带来的环境污染。

然后安装井口设备3，井口设备3的内腔与套管1连通。通过井口设备3的过孔下入造腔管柱2，造腔管柱2的底端与竖直井X底端持平，通过造腔管柱2的底端注入的水能在盐层中向四周流动扩散，形成预设结构的腔体。

利用注氮设备，通过输气管301注入氮气时，氮气经由套管1与T型外管201的环空向下流动。由于井口设备3与造腔管柱2的T型外管201密封接触，氮气无法外泄。氮气量要使注水造腔过程中气水界面位置与上界面相同，可以使造腔注水过程中，水位高度达到上界面时，无法继续上升，防止上界面以上的盐层被溶解，起到阻溶剂的作用。

打开第一支管2011、第四支管2022上的阀门，关闭第二支管2012、第三支管2021上的阀门，或者，打开第二支管2012、第三支管2021上的阀门，关闭第一支管2011、第四支管2022上的阀门，开始注水。其中，打开第二支管2012、第三支管2021上的阀门，关闭第一支管2011、第四支管2022上的阀门，注水时，水流顺次通过注水管203、第三支管2021、T型内管202向下流动，含盐水顺次通过T型内管202与T型外管201的环空、第二支管2012、排卤管204流出(以下简称上述过程为正循环)。打开第一支管2011、第四支管2022上的阀门，关闭第二支管2012、第三支管2021上的阀门时，注水时，水流顺次通过注水管203、第一支管2011、T型内管202与T型外管201之间的环空向下流动，含盐水顺次通过T型内管202、第四支管2022、排卤管204流出(以下简称上述过程为反循环)。两种循环方式均可以注水溶解盐层，并实现含盐水的返排。随着注入过程的进行，腔体逐渐增大，注水预设时间腔体大小达到预期要求时，停止注水，起出造腔管柱2，造腔过程结束。

本发明实施例提供的盐穴储气库造腔方法，能够在盐层中进行造腔获得盐穴储气库，且通过采用氮气作为阻溶剂成本较低，避免了环境污染。

其中，埋在地层中的盐层的上表面为上盐层面，下表面为下盐层面。

注入氮气时的氮气量可以通过下述公式获得：

V₀：氮气量，m³；

H₁：套管1的深度，m；

H₂：套管1的底端到气水界面的距离，m；

D₁：套管1的内径，m；

D₂：竖直井X的内径，m；

D₃：T型外管201的外径，m；

竖直井X内气体平均压力，MPa；

P_O：标准大气压，0.1MPa；

竖直井X气体平均温度，K；

T_O：标准状况下温度，273.15K；

竖直井X气体平均平均偏差系数；

Z_O：标准状况下竖直井X气体偏差系数。

式中，套管1深度、套管1底端到气水界面的距离、套管1内径、竖直井X的内径、T型外管201的外径、竖直井X内气体平均压力、竖直井X气体平均温度可以通过测量获得，标准大气压、标准状况下温度、竖直井X气体平均平均偏差系数、标准状况下竖直井X气体偏差系数均为常数，由上述数据，可以获取初始注入时的氮气量。

下入造腔管柱2时，T型外管201的底端比上界面低10-15m，举例来说，可以为10m、12m、15m等。如此设置，使T型外管201的底端与气水界面有一定的间距，避免含盐水排出时带出氮气，使造腔过程中气水界面位置保持不变。

本发明实施例中，造腔过程中注水以及排出含盐水的过程可以如下所示：

开始注水时，打开第二支管2012、第三支管2021上的阀门，关闭第一支管2011、第四支管2022上的阀门；

注水预设时间后，打开第一支管2011、第四支管2022上的阀门，关闭第二支管2012、第三支管2021上的阀门。

如此设置，开始注水时，采用正循环，从T型内管202注水，T型内管202底端的盐层先开始溶解，避免从T型内管202与T型外管201的环空注水，T型外管201底端位置的盐层溶解时不溶物向下沉积封堵T型内管202底端的风险。注水预设时间后，采用反循环，T型内管202的底端较低，使排出含盐水的浓度较高，提高水资源的利用率和造腔效率。

本发明实施例提供的造腔方法还包括：利用检测设备4实时检测造腔过程中的气水界面位置；

将气水界面位置与上界面进行对比，若气水界面位置与上界面相同，则符合预期生产要求。

造腔过程中，为了避免水溶解上界面以上的盐层，上界面以上位置在整个造腔过程中均充满氮气作为阻溶剂，保证气水界面的位置在上界面处。气水界面位置与上界面相同时，符合预期生产要求。气水界面位置与上界面不相同时，不符合生产要求，造腔过程不符合预期。

且，检测到气水界面位置与上界面不相同时，若气水界面对比上界面向上偏移，注入氮气进行补氮。若气水界面向下偏移，打开输气管301的阀门，进行放气。通过对造腔过程中气水界面位置的实时检测，以及根据气水界面位置进行对应操作，能够使气水界面位置保持在上界面处，使最终形成的盐穴储气库满足使用需求。

进一步地，造腔过程中，对注水管203内的压力、排卤管204内的压力、排卤管204中排出的含盐水的流量和浓度进行监控，获得监控数据；

通过对监控数据进行分析处理，判断造腔过程是否顺利进行。

通过收集上述监控数据，并对数据进行分析处理，以判断造腔过程进行是否顺利进行

注水管203内的压力、排卤管204内的压力可以通过压力表测得，含盐水的流量可以通过流量计测得，浓度可以盐度计测得，譬如，睿铭电子科技生产并销售的的LS28T型号的手持式盐度计可以用于浓度的测量。

其中，对数据的分析处理过程包括：

以排卤管204内的浓度为例，以时间为横坐标，排卤管204内的浓度值为纵坐标建立坐标系，在坐标系内描点，描点的坐标点为(时间，浓度)坐标点，数量可以为20个、30个等。将坐标点连线，在坐标系内形成时间-浓度曲线，表示排卤管204内的浓度随造腔时间的变化规律。以时间-浓度曲线为基准，将每一时刻的排卤管204内的浓度与时间-浓度曲线中对应的该时刻的浓度进行对比，若误差在5g/l以上，则记为故障浓度。若连续出现5个以上的故障浓度，则判定井下造腔管柱可能出现异常，造腔过程出现故障需要安排井下作业进行确认。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盐穴储气库造腔装置，其特征在于，所述装置包括：套管(1)、造腔管柱(2)、井口设备(3)、注氮设备、注水设备；

所述套管(1)用于固定在钻好的竖直井(X)的内壁上；

所述造腔管柱(2)包括：T型外管(201)、T型内管(202)、注水管(203)、排卤管(204)；

所述井口设备(3)固定于地面，且与所述套管(1)连通，且侧壁设置有与所述套管(1)连通的输气管(301)；

所述T型外管(201)动密封地穿过所述井口设备(3)的顶面，且所述T型外管(201)顶部的第一支管(2011)和第二支管(2012)位于所述井口设备(3)外部；

所述T型内管(202)套设于所述T型外管(201)内，且所述T型内管(202)顶部的第三支管(2021)和第四支管(2022)位于所述T型外管(201)的上方；

所述第一支管(2011)、所述第三支管(2021)均与所述注水管(203)连通；

所述第二支管(2012)、所述第四支管(2022)均与所述排卤管(204)连通；

所述输气管(301)、所述第一支管(2011)、所述第二支管(2012)、所述第三支管(2021)、所述第四支管(2022)内均设置有阀门；

所述注氮设备与所述输气管(301)连通，用于注氮；

所述注水设备与所述注水管(203)连通，用于注水。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述注水管(203)内设置有第一安全阀(2031)，所述注水管(203)的内部压力超过预设值时，所述第一安全阀(2031)关闭；

所述排卤管(204)内设置有第二安全阀(2041)，所述排卤管(204)的内部压力超过预设值时，所述第二安全阀(2041)关闭。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述T型内管(202)的底端比所述T型外管(201)的底端低10-60m。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述注氮设备包括：顺次连接的液氮储罐以及液氮泵，所述液氮泵与所述输气管(301)连通。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：用于实时检测造腔过程中气水界面位置的检测设备(4)。

6.利用权利要求1-5所述的装置进行盐穴储气库造腔的方法，其特征在于，所述方法包括：

确定造腔的上界面及下界面；

钻竖直井(X)，使所述竖直井(X)的底端高出所述下界面10m-12m；

将所述套管(1)固定在所述竖直井(X)内，使所述套管(1)的底端位于上盐层面以下，所述上界面以上；

安装井口设备(3)；

将所述造腔管柱(2)通过所述井口设备(3)和所述套管(1)下入所述竖直井(X)内，使所述造腔管柱(2)的底端与所述竖直井(X)的底端持平；

利用注氮设备，通过所述输气管(301)向所述竖直井(X)内注入预设量的氮气；

利用注水设备，通过所述注水管(203)向所述竖直井(X)内注水，盐层溶解在水中，通过控制阀门启闭，使含盐水通过所述排卤管(204)排出，注水预设时间后，完成造腔。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，下入所述造腔管柱(2)时，所述T型外管(201)的底端比所述上界面低10-15m。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，开始注水时，打开所述第二支管(2012)、所述第三支管(2021)上的所述阀门，关闭所述第一支管(2011)、所述第四支管(2022)上的所述阀门，使水通过所述T型内管(202)注入所述竖直井(X)内；

注水预设时间后，打开所述第一支管(2011)、所述第四支管(2022)上的所述阀门，关闭所述第二支管(2012)、所述第三支管(2021)上的所述阀门，使水通过所述T型内管(202)与所述T型外管(201)的环空注入所述竖直井(X)内。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：利用所述检测设备(4)实时检测造腔过程中的所述气水界面位置；

将所述气水界面位置与所述上界面进行对比，若所述气水界面位置与所述上界面相同，则符合预期生产要求。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：对造腔过程中所述注水管(203)内的压力、所述排卤管(204)内的压力、所述排卤管(204)中排出的含盐水的流量和浓度进行监控，获得监控数据；

通过对所述监控数据进行分析处理，判断造腔过程是否顺利进行。