国外盐穴地下天然气储气库建库技术发展
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Aimming at the accidents happened under holes frequently with the development of the oilfield, a composite washover and fishing technology was developed, in which the special tool is put down on the top of the fish in fish cylinder , the washover make the fishing enter into the cylinder, and the rotating cylinder grab
关键词 天然气 地下储气库 盐穴 造腔淋洗 几何形状 密封 稳定 检测
引言
全世界天然气储气库的种类大致分为 4 类, 即枯竭油气藏储气库、含水层储气库、废旧矿井储 气库和盐穴储气库。与其它 3 种类型的储气库相 比, 盐穴储气库具有构造完整、夹层少、厚度大、物 性好、结构坚实、可在储集构造上建较大的溶腔; 非渗透性好, 对液态和气态的碳氢物质都可以完 好地储存, 不易流失; 可缩性强、密封性好以及被 水溶蚀之后容易开采等优点。尤其是盐穴地下储 气库具有注气及采气迅速的特点, 越来越被更多 的人们所重视。这类天然气储气库目前在世界上 有 44 座, 约占各类储气库总 和的 8% 左右, 其中 美国 18 座, 德国 13 座, 加拿大 7 座, 法国 3 座, 其 它国家 3 座。盐穴地下储气库示意见图 1。
Salt- Cavern Gas Storage. O il & Gas Journal, 1994 3 Gomm H, Quast P. Status of G as Storage in Caverns in West Germany
SPE 19084 4 Bennion D B, Thomas F B, Ma T et al Detailed Protocol for the
初始的溶腔形状是圆柱形, 经改造后, 可以形 成圆形。改造的原因是, 圆形经的大小是以最低可容纳 的工作气体积来设计。一般来说, 设计的最小溶 腔一般可容纳 84. 951~ 169. 902 dam3 的工作气, 单个大气穴可建在盐丘上, 而盐层则不同, 它可以 建若干个小气穴, 以满足储气量的要求。
断
块
油
气
田
第 9 卷第 1 期
行密封性试验时, 都采用市场上可提供的 HOLD 系统 氦气漏失探测仪( 见图 4) 。
5 运行及其稳定性
一座盐穴储气库的运行, 如同一个存在于最 大与最小压力之间的压力容器, 整个气库的稳定 性与盐穴运行压力( 包括盐穴在一定的压力下) 所 暴露的时间有直接的关系。从现代理论上讲, 储 气库建立的最小压力为管道所要求的压力; 储气 库建立的最大压力根据垂直应力来确定[ 5] , 需要 根据基质盐特性, 结合复杂的岩心分析, 利用计算 机有限元程序进行岩石力学计算得到。
明, 最稳定。 对于盐层储气库来讲, 尽管球形是一个理想
的形状, 但由于有些盐层给出了限定的厚度, 并希 望建得尽可能大, 以减少工程费用。因此, 实际的 工作中, 盐穴的溶腔形状就会被建成为扁椭圆形。 确切的溶腔几何形状由声纳扫描仪进行检测( 见 图 3) 。
图 2 洞穴淋洗过 程示意图
大部分情况下, 盐层中含有一定的硬石膏和 页岩夹层。在溶矿期间, 不坚实的岩层会掉到盐 穴的底部, 堆成碎石堆, 结果使储气空间减少。在 有些情况下, 碎石所占的体积为整个盐穴开采体 积的 30% ~ 40% 。
由于盐丘与盐层的性质各异, 在盐丘及盐层 上, 造穴的具体设计也不同。对于盐丘来说, 在 造穴 深度 上 有 很大 的 弹 性, 盐 穴 深 度 可达 到 1 828. 8 m( 6 000 ft ) 以下; 但对盐层来说, 1 828. 8 m 就是造穴深度的最大极限值。美国 PB-KBB 公 司经 计 算 并 研 究 认 为, 当 盐 穴 的 深 度 达 到 1 066. 8~ 1 524. 0 m( 3 500~ 5 000 ft ) 时, 在钻井、 淋洗盐穴、气体压缩及气库运行等方面所花的费 用都是最经济的。
b) 有充足的水源。通常用地下水、湖水、河 水、渠水等水源中的新鲜水或微咸水来淋洗盐穴。 所需要的水量一般为盐穴体积的 7~ 10 倍。
c) 有处理盐卤的方法和途径。一般情况下, 处理盐卤的工作是通过对新鲜水以下的盐水层完 井的方式来完成。处理区必须与新鲜水区隔绝。 对盐层构造来讲, 处理水区可在沉积层之上, 也可 以在沉积层之下。对盐丘构造来讲, 处理水区一 般在盐丘的侧面。
图 4 HOLD 试验装置示意图
目前美国已有 30 多年储气库运行的历史, 盐 层储气库一般最大压力梯度为 0. 019 MPa/ m ; 西 德储气库最大压力梯度一般为 0. 02 MPa/ m;
加拿 大 储 气 库 一 般 最 大 压 力 梯 度 为 0. 015 2 MPa/ m。国外经验表明, 在运行压力条件下, 盐穴 壁自动变形的情况很少见。
第 9 卷第 1 期
断
块
油
气
田
FAULT-BLOCK OIL & GAS FIELD
2002 年 1 月
国外盐穴地下天然气储气库建库技术发展
郭 彬1 房德华2 王秀平3 张少武3
( 1 石油勘探开发科学研究院廊坊分院 2. 华北油田公司第一采油厂 3. 华北油田公司采油工艺研究院)
摘 要 建设与开发更多的地下盐穴天然气储气库, 是 21 世纪天然气库发展的一个趋 势。成熟的国外盐穴储气库建库技术, 主要包括盐穴储气库的选址技术、造腔淋洗技术、几何 形状的控制技术、密封技术、盐穴储气库的稳定技术及检测技术。
气穴建好后, 还需要对其进行密封性试验[ 4] 。 通常, 外部水压实验可以用于气库结合面的密封 性实验。但这还不够, 因为水在结合面处不漏并 不等于从里到外都不漏。对于盐穴气库而言, 最 后水泥套管及生产管柱从内至外的密封性试验非 常严格。由于这个原因, 在对套管及生产管柱进
79
2002 年 1 月
冰冻) 导致管道气量不够时提供应急服务[ 1] 。盐 穴储气库的弹性大, 在快速平衡短期负荷漂移, 防 止管线负荷不平衡的损失方面更具优势。
1 建库条件
a) 盐穴应建在盐层厚、圈闭整装、无断层、闭 合幅度大的沉积构造上。围岩及盐层分布稳定, 有良好的储盖组合。盖层要有一定厚度[ 2] , 美国 要求盐穴 有 一个 最小 盐 顶厚 度, 一 般为 91. 4~ 152. 4 m( 300~ 500 ft ) 。在这个层段上, 要求盐有 很好 的胶结性, 且对上部盐 有较好的支撑作用。 盐的纯度大于 90% 。
第 9 卷第 1 期
郭 彬等 国外盐穴地下天然气储气库建库技术发展
2002 年 1 月
术[ 3] 。通过钻凿井眼注入清水到盐层溶解盐, 然 后再将溶解后的卤水返回到地面。淋洗过程中既 可以采用正向循环, 也可以采用反向循环, 洞穴的 淋洗过程见图 2。这 2 种方法都可以使盐穴得到 稳定的形态。法国索非公司的建库经验证明, 通 过对 2 种方法进行对比发现, 反向淋洗的采盐率 比正向淋洗的采盐率高得多。
d) 储气库库址与天然气管线的距离合适。
2 建造技术
建造 地 下盐 穴 储 气 库 通 常 采用 溶 解 矿 技
图 1 盐穴地下储气库示意图
地下盐穴储气库的作用就是在天然气气源遇 到尖峰时提供调峰服务, 以及气候影响( 如飓风或
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收稿日期 2001- 08- 29 第一作者简 介 郭 彬, 女, 1957 年生, 工程师, 1998 年 毕 业于石油大 学石 油地 质专 业, 现 从事 天然 气开 发 研究 工 作, 地址( 065007) : 河北省廊坊市, 电话: ( 010) 69213792。
为了控制并保证气库顶上方的淋洗质量, 不 破坏气库的完整性, 以及其承压能力不受到损害, 通常采用比水轻的碳氢物质( 如丙烷、丁烷、柴油) 作为表面材料喷涂在盐穴顶表面。这些材料通常 是防腐的水不溶物, 它们附着在盐的表面, 可以防 止盐穴淋洗时, 上部盐被溶解下来。实践证明, 应 用效果较好。
3 深度、几何形状及大小
4 密封性
在向盐穴注入天然气期间, 水蒸气的含量和 水的露点温度会有所增加, 这是因为要从剩余的 盐中吸收水蒸气的结果。因此, 将气库中的气体 送到分支管线之前需要配备相应的地面设施和动 力, 对气体进行干燥。
西德建盐穴储气库的密封经验是在盐穴的表 面安置一个密封夹层, 使其具有对水蒸气的渗透 尽可能低的特性, 以防止或减缓气体中水蒸气含 量的增加[ 3] , 这个密封层对防止产生气体水化层 及管线腐蚀也有一定的作用。
& Gas Journal , 1998
( 编辑 刘新玲)
80
JANUARY 2002
FAULT-BLOCK OIL & GAS FIELD
Vol. 9 No. 1
Ran Jiansheng ( The NO. 1 Oil Production Division, Zhongyuan Oilfield Company, SINOPEC, Henan 457071, P. R. China) , Wang Haihui and Pan Weiguo et al. , Faul-t Block Oil & Gas Field, 2002, 9( 1) : 73~ 75
Key Words: Sucker rod, Accident, Cause, Preventive treatment, Strategy.
Development and Application of Composite Washover and Fishing Cylinder
Zhao Xiaofeng ( The No. 6 Oil Production Division, Zhongyuan Oilfield Company, SINOPEC, Shandong 274511, P. R. China) , Wu Dongxin and Song Laihua, Faul-t Block Oil & Gas Field, 2002, 9( 1) : 76~ 77
The Common accidents, Such as break, attachment off, of-f center wear and corrosion, were analyzed in detail in this paper, and the corrosponding preventive treatment strategies were provided to prevent the above accidents. Having been applied into 27 wells in Wenliu Oilfield, achieving obviously economic value.
参考文献 1 Bittkow P, Ruhrgas A G, R iechel M et al Management of a Complex
Cavern Storage Facility for Natural G as SPE 38865 2 Barron Thomas F. Regulatory, Technical Pressures Prompt M ore U . S.
Screening and Selection of Gas Storage Reservoirs SPE 59738 5 Adams J. Nature Gas Salt Cavern St orage Operat ing Pressure
Deteminat ion CIM , 1997 6 Graeme N Sonar Surveys U sed in Gas - Storage Cavern Analysis Oil
6 检测
利用声纳检测技术对运行中的地下天然气储 气库进行检测比较可靠[ 6] , 近 10 年来, 该项技术 有了新的发展。加拿大 Trans Gas 有限公司经营 着 24 个盐床地下储气库。与传统声纳检测技术 相比, 现在技术可以带压测试, 可监测半径更大的 储气库的库容容积, 能检查出因洞库蠕变、收缩、 或因充满流体、或因洞壁和洞顶坍塌等造成的储 气库内形状异常的情况。检测精度可达到 2% ~ 5% 。自 1989 年以来, Trans Gas 公司利用声纳检 测技术对运行中的地下天然气储气库进行了 3 次 测试, 测试时储气库井口压力约为 13. 8 MPa。
关键词 天然气 地下储气库 盐穴 造腔淋洗 几何形状 密封 稳定 检测
引言
全世界天然气储气库的种类大致分为 4 类, 即枯竭油气藏储气库、含水层储气库、废旧矿井储 气库和盐穴储气库。与其它 3 种类型的储气库相 比, 盐穴储气库具有构造完整、夹层少、厚度大、物 性好、结构坚实、可在储集构造上建较大的溶腔; 非渗透性好, 对液态和气态的碳氢物质都可以完 好地储存, 不易流失; 可缩性强、密封性好以及被 水溶蚀之后容易开采等优点。尤其是盐穴地下储 气库具有注气及采气迅速的特点, 越来越被更多 的人们所重视。这类天然气储气库目前在世界上 有 44 座, 约占各类储气库总 和的 8% 左右, 其中 美国 18 座, 德国 13 座, 加拿大 7 座, 法国 3 座, 其 它国家 3 座。盐穴地下储气库示意见图 1。
Salt- Cavern Gas Storage. O il & Gas Journal, 1994 3 Gomm H, Quast P. Status of G as Storage in Caverns in West Germany
SPE 19084 4 Bennion D B, Thomas F B, Ma T et al Detailed Protocol for the
初始的溶腔形状是圆柱形, 经改造后, 可以形 成圆形。改造的原因是, 圆形经的大小是以最低可容纳 的工作气体积来设计。一般来说, 设计的最小溶 腔一般可容纳 84. 951~ 169. 902 dam3 的工作气, 单个大气穴可建在盐丘上, 而盐层则不同, 它可以 建若干个小气穴, 以满足储气量的要求。
断
块
油
气
田
第 9 卷第 1 期
行密封性试验时, 都采用市场上可提供的 HOLD 系统 氦气漏失探测仪( 见图 4) 。
5 运行及其稳定性
一座盐穴储气库的运行, 如同一个存在于最 大与最小压力之间的压力容器, 整个气库的稳定 性与盐穴运行压力( 包括盐穴在一定的压力下) 所 暴露的时间有直接的关系。从现代理论上讲, 储 气库建立的最小压力为管道所要求的压力; 储气 库建立的最大压力根据垂直应力来确定[ 5] , 需要 根据基质盐特性, 结合复杂的岩心分析, 利用计算 机有限元程序进行岩石力学计算得到。
明, 最稳定。 对于盐层储气库来讲, 尽管球形是一个理想
的形状, 但由于有些盐层给出了限定的厚度, 并希 望建得尽可能大, 以减少工程费用。因此, 实际的 工作中, 盐穴的溶腔形状就会被建成为扁椭圆形。 确切的溶腔几何形状由声纳扫描仪进行检测( 见 图 3) 。
图 2 洞穴淋洗过 程示意图
大部分情况下, 盐层中含有一定的硬石膏和 页岩夹层。在溶矿期间, 不坚实的岩层会掉到盐 穴的底部, 堆成碎石堆, 结果使储气空间减少。在 有些情况下, 碎石所占的体积为整个盐穴开采体 积的 30% ~ 40% 。
由于盐丘与盐层的性质各异, 在盐丘及盐层 上, 造穴的具体设计也不同。对于盐丘来说, 在 造穴 深度 上 有 很大 的 弹 性, 盐 穴 深 度 可达 到 1 828. 8 m( 6 000 ft ) 以下; 但对盐层来说, 1 828. 8 m 就是造穴深度的最大极限值。美国 PB-KBB 公 司经 计 算 并 研 究 认 为, 当 盐 穴 的 深 度 达 到 1 066. 8~ 1 524. 0 m( 3 500~ 5 000 ft ) 时, 在钻井、 淋洗盐穴、气体压缩及气库运行等方面所花的费 用都是最经济的。
b) 有充足的水源。通常用地下水、湖水、河 水、渠水等水源中的新鲜水或微咸水来淋洗盐穴。 所需要的水量一般为盐穴体积的 7~ 10 倍。
c) 有处理盐卤的方法和途径。一般情况下, 处理盐卤的工作是通过对新鲜水以下的盐水层完 井的方式来完成。处理区必须与新鲜水区隔绝。 对盐层构造来讲, 处理水区可在沉积层之上, 也可 以在沉积层之下。对盐丘构造来讲, 处理水区一 般在盐丘的侧面。
图 4 HOLD 试验装置示意图
目前美国已有 30 多年储气库运行的历史, 盐 层储气库一般最大压力梯度为 0. 019 MPa/ m ; 西 德储气库最大压力梯度一般为 0. 02 MPa/ m;
加拿 大 储 气 库 一 般 最 大 压 力 梯 度 为 0. 015 2 MPa/ m。国外经验表明, 在运行压力条件下, 盐穴 壁自动变形的情况很少见。
第 9 卷第 1 期
断
块
油
气
田
FAULT-BLOCK OIL & GAS FIELD
2002 年 1 月
国外盐穴地下天然气储气库建库技术发展
郭 彬1 房德华2 王秀平3 张少武3
( 1 石油勘探开发科学研究院廊坊分院 2. 华北油田公司第一采油厂 3. 华北油田公司采油工艺研究院)
摘 要 建设与开发更多的地下盐穴天然气储气库, 是 21 世纪天然气库发展的一个趋 势。成熟的国外盐穴储气库建库技术, 主要包括盐穴储气库的选址技术、造腔淋洗技术、几何 形状的控制技术、密封技术、盐穴储气库的稳定技术及检测技术。
气穴建好后, 还需要对其进行密封性试验[ 4] 。 通常, 外部水压实验可以用于气库结合面的密封 性实验。但这还不够, 因为水在结合面处不漏并 不等于从里到外都不漏。对于盐穴气库而言, 最 后水泥套管及生产管柱从内至外的密封性试验非 常严格。由于这个原因, 在对套管及生产管柱进
79
2002 年 1 月
冰冻) 导致管道气量不够时提供应急服务[ 1] 。盐 穴储气库的弹性大, 在快速平衡短期负荷漂移, 防 止管线负荷不平衡的损失方面更具优势。
1 建库条件
a) 盐穴应建在盐层厚、圈闭整装、无断层、闭 合幅度大的沉积构造上。围岩及盐层分布稳定, 有良好的储盖组合。盖层要有一定厚度[ 2] , 美国 要求盐穴 有 一个 最小 盐 顶厚 度, 一 般为 91. 4~ 152. 4 m( 300~ 500 ft ) 。在这个层段上, 要求盐有 很好 的胶结性, 且对上部盐 有较好的支撑作用。 盐的纯度大于 90% 。
第 9 卷第 1 期
郭 彬等 国外盐穴地下天然气储气库建库技术发展
2002 年 1 月
术[ 3] 。通过钻凿井眼注入清水到盐层溶解盐, 然 后再将溶解后的卤水返回到地面。淋洗过程中既 可以采用正向循环, 也可以采用反向循环, 洞穴的 淋洗过程见图 2。这 2 种方法都可以使盐穴得到 稳定的形态。法国索非公司的建库经验证明, 通 过对 2 种方法进行对比发现, 反向淋洗的采盐率 比正向淋洗的采盐率高得多。
d) 储气库库址与天然气管线的距离合适。
2 建造技术
建造 地 下盐 穴 储 气 库 通 常 采用 溶 解 矿 技
图 1 盐穴地下储气库示意图
地下盐穴储气库的作用就是在天然气气源遇 到尖峰时提供调峰服务, 以及气候影响( 如飓风或
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收稿日期 2001- 08- 29 第一作者简 介 郭 彬, 女, 1957 年生, 工程师, 1998 年 毕 业于石油大 学石 油地 质专 业, 现 从事 天然 气开 发 研究 工 作, 地址( 065007) : 河北省廊坊市, 电话: ( 010) 69213792。
为了控制并保证气库顶上方的淋洗质量, 不 破坏气库的完整性, 以及其承压能力不受到损害, 通常采用比水轻的碳氢物质( 如丙烷、丁烷、柴油) 作为表面材料喷涂在盐穴顶表面。这些材料通常 是防腐的水不溶物, 它们附着在盐的表面, 可以防 止盐穴淋洗时, 上部盐被溶解下来。实践证明, 应 用效果较好。
3 深度、几何形状及大小
4 密封性
在向盐穴注入天然气期间, 水蒸气的含量和 水的露点温度会有所增加, 这是因为要从剩余的 盐中吸收水蒸气的结果。因此, 将气库中的气体 送到分支管线之前需要配备相应的地面设施和动 力, 对气体进行干燥。
西德建盐穴储气库的密封经验是在盐穴的表 面安置一个密封夹层, 使其具有对水蒸气的渗透 尽可能低的特性, 以防止或减缓气体中水蒸气含 量的增加[ 3] , 这个密封层对防止产生气体水化层 及管线腐蚀也有一定的作用。
& Gas Journal , 1998
( 编辑 刘新玲)
80
JANUARY 2002
FAULT-BLOCK OIL & GAS FIELD
Vol. 9 No. 1
Ran Jiansheng ( The NO. 1 Oil Production Division, Zhongyuan Oilfield Company, SINOPEC, Henan 457071, P. R. China) , Wang Haihui and Pan Weiguo et al. , Faul-t Block Oil & Gas Field, 2002, 9( 1) : 73~ 75
Key Words: Sucker rod, Accident, Cause, Preventive treatment, Strategy.
Development and Application of Composite Washover and Fishing Cylinder
Zhao Xiaofeng ( The No. 6 Oil Production Division, Zhongyuan Oilfield Company, SINOPEC, Shandong 274511, P. R. China) , Wu Dongxin and Song Laihua, Faul-t Block Oil & Gas Field, 2002, 9( 1) : 76~ 77
The Common accidents, Such as break, attachment off, of-f center wear and corrosion, were analyzed in detail in this paper, and the corrosponding preventive treatment strategies were provided to prevent the above accidents. Having been applied into 27 wells in Wenliu Oilfield, achieving obviously economic value.
参考文献 1 Bittkow P, Ruhrgas A G, R iechel M et al Management of a Complex
Cavern Storage Facility for Natural G as SPE 38865 2 Barron Thomas F. Regulatory, Technical Pressures Prompt M ore U . S.
Screening and Selection of Gas Storage Reservoirs SPE 59738 5 Adams J. Nature Gas Salt Cavern St orage Operat ing Pressure
Deteminat ion CIM , 1997 6 Graeme N Sonar Surveys U sed in Gas - Storage Cavern Analysis Oil
6 检测
利用声纳检测技术对运行中的地下天然气储 气库进行检测比较可靠[ 6] , 近 10 年来, 该项技术 有了新的发展。加拿大 Trans Gas 有限公司经营 着 24 个盐床地下储气库。与传统声纳检测技术 相比, 现在技术可以带压测试, 可监测半径更大的 储气库的库容容积, 能检查出因洞库蠕变、收缩、 或因充满流体、或因洞壁和洞顶坍塌等造成的储 气库内形状异常的情况。检测精度可达到 2% ~ 5% 。自 1989 年以来, Trans Gas 公司利用声纳检 测技术对运行中的地下天然气储气库进行了 3 次 测试, 测试时储气库井口压力约为 13. 8 MPa。