第一章 绪论.docx
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第一章绪论
第一章绪论
天然气地下储气库是将从天然气田(藏)中采出的天然气,重新注人地下具备封闭条件的储集空间中,从而形成的一种人工气田(藏)。
目前世界上天然气地下储气库主要有枯竭油气藏、含水层、盐穴、废弃矿坑及岩洞储气库等类型,其中后两种数量较少。
根据2009年10月阿根廷第24次世界天然气大会储气库工作委员会的统计(DrVlad-imirOnderkaetal.2009),世界上35个国家运营着各类地下储气库630座,总有效工作量达3524.81x108m3(表1-1)。
这些运营的储气库中最主要的类型是枯竭油气藏型,有467座,占总数的74.1%;其次是含水层型,占13.7%;盐穴型占11.7%,岩洞及废弃矿井型较少,分别为0.3%、0.2%(图1-1)。
表1-1世界各地区天然气地下储气库统计表
国家
油气藏(座)
岩穴(座)
含水层(座)
岩洞(座)
废矿井(座)
总数(座)
工作气量(X
)
美国
307
31
51
389
1106.74
加拿大
43
9
52
164.13
德国
15
23
7
1
46
203.15
俄罗斯
15
7
22
955.61
法国
3
12
15
119.13
乌克兰
11
2
13
318.80
意大利
11
11
167.55
捷克共和国
6
1
1
8
30.73
奥地利
6
6
41.84
中国
5
1
6
11.40
波兰
5
1
6
16.60
罗马尼亚
6
6
27.60
英国
3
3
6
37.00
匈牙利
5
5
37.20
澳大利亚
4
4
11.34
日本
4
4
5.50
哈萨克斯坦
1
2
3
42.03
荷兰
3
3
50.00
乌兹别克斯坦
3
3
46.00
阿塞拜疆
2
2
13.50
白俄罗斯
1
1
2
7.50
丹麦
1
1
2
8.20
斯洛伐克
2
2
27.20
西班牙
2
2
14.59
土耳其
2
2
16.00
阿根廷
1
1
1.00
亚美尼亚
1
1
1.10
比利时
1
1
5.50
保加利亚
1
1
5.00
克罗地亚
1
1
5.58
爱尔兰
1
1
2.10
吉尔吉斯坦
1
1
0.60
拉脱维亚
1
1
23.00
葡萄牙
1
1
1.50
瑞典
1
合计
467
74
86
2
1
630
3524.81
*俄罗斯包括300
战略储备气量。
图1-1世界不同类型天然气地下储气库数量统计图
第一节盐穴地下储气库的发展历史
盐穴地下储气库(简称“盐穴储气库”)是利用地下较厚的盐层或盐丘,采用人工方式在盐层或盐丘中水溶形成洞穴储存空间来存储天然气。
自1959年苏联建成第-一个盐穴地下储气库,目前世界上有74座盐穴储气库在运行,占储气库总数的11.7%。
其中美国31座,德国23座,加拿大9座,法国3座,英国3座,波兰、丹麦、亚美尼亚、葡萄牙、中国各1座;总工作气量为161.98x103m3,占总工作气量的4.6%(表1-2)。
表1-2世界各地区天然气盐穴地下储气库统计表
地区
国家
储气库(座)
垫气量(X
)
工作气量(X
)
库容量(X
)
注采井(口)
北美
美国
31
23.32
50.27
73.59
149
加拿大
9
2.14
6.12
8.26
34
小计
40
25.46
56.39
81.85
183
欧洲
德国
23
26.3
78.86
105.16
173
法国
3
7.14
9.73
16.87
36
英国
3
2.25
5
7.25
11
丹麦
1
3
4.2
7.2
7
波兰
1
1.71
3.8
5.51
10
葡萄牙
1
0.5
1.5
2
3
小计
32
40.9
103.9
143.99
240
中东
亚美尼亚
1
0.25
1.1
1.35
18
亚洲
中国
1
0.83
1.4
2.23
6
合计
74
67.44
161.98
229.42
447
用盐丘或盐层储藏的技术最初是德国人Erdol在1916年8月获得的专利,这个专利思想最初是在20世纪50年代初期的美国应用,而世界上第一座盐丘或盐层储气库却是于1959年苏联建成的。
美国于1961年在密歇根州Marysville首次利用盐穴进行储气,这是一个废弃的盐矿,由密执根天然气公司完成。
该气库自1968年开始供气,采气量为82.12x104m3/d,注气量是34x104m3/d,工作气量为600x104m3,压力为7.2MPa。
1970年密西西比Eminence盐丘储气库完成,该储气库当时由2个单腔构成,埋藏深度为1737~2042m,由于上述两个单腔收缩率达到40%,2006年时已废弃,运营的其他7个单腔顶面构造深度731m,工作气量为4.25x108m3。
美国运行的31座盐穴储气库多数于20世纪90年代投人运营,1990年至2000年间投产了17座。
31座盐穴储气库顶面构造深度一般为600~1300m,运行上限压力为7.2~24.8MPa。
在用气季节高峰期,盐穴地下储气库能够保证采出40%以上的天然气,最大采气量可达180x104m3/d。
加拿大第一座盐穴储气库建于萨斯喀彻温省(ThomsRL,etal.2000),于1963年开始运行,该气库埋深1128m,储气空间为5x104m3。
截至2009年运行的9座盐穴储气库顶面构造深度一般为1000~1200m,运行上限压力为15.2~26.7MPa,最大采气量为70x104m3/d。
法国首座盐穴储气库Tersanne(ThomsRL,etal.2000)于1970年开始投入使用,气库埋深介于1400~1500m之间,单腔高度150m,库容量为3.32x108m3,运行压力为8~24MPa,工作气量为2.04x108m3。
另两座储气库分别建成于1980年、1993年,单腔顶面构造深度分别为1400m、1000m,高度分别为150m、250m,工作气量分别为4.52x108m3、2.12x108m3。
德国于1971年在基尔市附近的Honigsee(ThomsRL,etal.2000)盐丘上建造了首座盐穴储气库,深度为1307~1335m。
截至2009年运行的23座盐穴储气库顶面构造深度一般为500~1500m,运行上限压力为10~23.9MPa,最大采气量为215x104m3/d。
英国于1974年建成了其首座盐穴储气库,由两个单腔构成,工作气量为0.75x10°m。
其后在1980年建成了第二座,由9个单腔构成,顶面构造深度为1800m,工作气量为3.17x108m3。
法国燃气公司拥有3座盐穴储气库,分别建于1970年、1980年和1993年,单腔顶面构造深度分别为1400m、1400m和1000m,工作气量分别为2.04x108m3、4.52x108m3和2.12x108m3。
另外亚美尼亚、丹麦、波兰分别于1964年、1986年和1997年建成各自的首座盐穴储气库,工作气量分别为1.1x108m3、4.2x108m3和3.4x108m3。
总体来看,国外利用盐穴作为储气库的历史最早可以追溯到20世纪50年代,其后该项技术在北美及欧洲推广,法国、德国、英国和丹麦等相继建成盐穴储气库,截至2009年世界上的74座盐穴储气库已建成总库容量为229.42x108m3,工作气量为161.98x108m3,工作气量占库容量的70.6%。
我国对盐穴储气库的研究始于1999年,初期主要是对国内的盐矿进行调查,初步评价各盐矿的建库地质条件。
随着西气东输战略工程的实施,2001年1月启动了西气东输工程建设天然气地下储气库工程可行性研究项目,确定了江苏金坛作为国内首个盐穴储气库建库目标;2005年4月完成了西气东输金坛地下储气库地下建设工程初步设计;2006年8月完成了金坛第-批15口新井的钻井施工作业;2005年1月金资井首先开始造腔作业,2006年7月完成了6口老腔改造与利用的施工作业,并形成1.1x104m3储气能力。
总之国内首座盐穴储气库工程一金坛盐穴储气库工程的建设正在进行之中,设计单腔有效储气空间为25x104m3,有效工作气量为2550x104m3,第一批储气库井预计于2010年上半年完成造腔,届时可形成3.8x104m3调峰能力。
第二节盐穴储气库术语
盐丘(saltdome):
主要由盐岩组成呈穹隆状分布的地层。
盐层(saltbed):
主要由盐岩组成层状分布的地层。
盖层(caprock):
盐层上覆的非渗透性地层。
顶板(roofpillar):
经溶漓后盐腔顶界与盐层顶界之间保留的盐体。
底板(bottompllar):
经溶漓后盐腔底界与盐层底界之间保留的盐体。
盐腔(saltcavity):
通过人工溶漓方式在盐岩构造内形成的地下洞穴。
单腔(individualcavity):
盐层中由单井容漓方式形成的独立盐腔。
腔群(cavercluster):
一-定范围内多个盐腔的集合。
已有采卤盐腔(existingcavem):
以采卤为目的,溶漓时对形态未经人工控制的盐腔。
上限压力(maximumoperationpressure):
盐腔使用过程中,在套管鞋处允许的最大压力。
下限压力(minimumoperationpressure):
盐腔使用过程中,在套管鞋处允许的最小压力。
矿柱(saltpillar):
相邻盐腔之间保留的盐体。
矿柱宽度(pllarwidth):
相邻盐腔边界之间的最小距离。
盐腔闭合(cavityconvergence):
在应力作用下,盐岩体蠕变造成盐腔体积减小的现象。
盐腔稳定性(saltcavitystability):
盐腔不发生力学破坏及过度变形,保持整体稳定。
盐腔有效体积(cavityfreevolume):
盐腔内可以储存天然气的体积。
库存量(cavitystock):
在一-定的温度压力时,盐腔内可容纳的天然气折算为标准状况下的天然气体积量。
最大库容量(maximumcavitystock):
原始盐层温度,上限压力时,盐腔内可容纳的天然气折算为标准状况下的天然气体积。
垫气量(cushiongasstock):
原始盐层温度,下限压力时,盐腔内可容纳的天然气折算为标准状况“下的剩余天然气体积。
最大工作气量(maximumworkinggasstock):
原始盐层温度条件下,从上限压力到下限压力,允许从盐腔中采出的标准状况下的天然气体积,即最大库容量与垫气量之差。
造腔(solutionmining):
在一定的控制条件下,把淡水或不饱和卤水注人盐层或盐丘中,通过溶解盐岩并排出卤水,从而在地下形成特定形态的储存空间。
底坑(sump):
造腔初期建造的用于盛装盐岩中不溶物的空间。
垫层(blanket):
一种比水密度低且不能溶解盐的气态或液态物质,此种物质可以有效控制盐岩溶解范围,保护生产套管鞋,控制盐腔形态。
正循环(directcirculation):
造腔过程中,从中心管中注人谈水(或低浓度卤水),从中心管和中间管之间的环形空间中排出卤水的流体循环过程。
反循环(reversecirculation):
是指造腔过程中,从中心管和中间管之间的环形空间中注人淡水(或低浓度卤水),从中心管中排出卤水的流体循环过程。
中间管(intermediatetubing):
悬挂于生产套管之中,其与生产套管之间的环形空间用于储存垫层材料的管柱。
中心管(centraltubing):
悬挂于中间管之中,并与中间管一起实现注水和卤水排放作业的管柱。
环形空间保护液(annulusprotectingfluid):
完井作业时,在封隔器、生产套管、注采管柱和井口组成的密闭环形空间内注人的具有防腐功能的液体。
井下安全阀(subsurfacesafetyvalve):
安装于井下注采管柱.上的,用于紧急状态下自动关闭气体流动通道的装置。
注采管(injectionandproductiontubing):
指组成注采管柱的气密封油管。
注采管柱(injectionandproductiontubingassembly):
由注采管和井下工具组成,是连接盐腔和地面管线的注气和采气管柱通道,同时也是注气排卤作业中形成注气通道的油套环形空间的外层管柱。
注气排卤(gasinjectionanddebrining):
通过注采管柱和排卤管柱间的环形空间注人天然气,同时通过排卤管柱排出卤水的作业过程。
注气排卤井口(wellheadforgasinjectionanddebrining):
在盐穴储气库井口悬挂注采管柱和排卤管柱,满足注气排卤和注采气需要的专用装置。
卤水(brine):
造腔过程中从井内返出的溶漓盐岩形成的水溶液。
排卤管(debriningtubing):
组成排卤管柱的油管。
排卤管柱(debriningstring):
由排卤管和井下工具组成,是注气排卤作业中将卤水排到地面的管柱通道。
第三节盐穴储气库建库基本原理
盐穴的形成一般采用水溶方式完成,盐岩的主要矿物成分为氯化钠等,其中,钠盐含量一般为70%~90%或以上。
钠盐易溶于水,水溶建库正是利用盐岩的这种物理性质,在地面打一口井钻至盐床内部,将淡水(地表水或地下水)用泵通过造腔管柱泵入盐层,水洗溶盐后,从井下抽出,返出地面加以处理或利用。
在人工控制的情况下连续不断地溶漓,盐层中水洗溶盐形成的空间逐渐扩大,最终形成达到设计要求的地下盐穴。
地下盐穴形成后,向其中注人天然气将卤水驱替出来,即完成了盐穴储气库的建设过程。
盐穴储气库的建造大致经历以下几个阶段或过程:
建库目标库址的确定、建库方案设计、储气库施工建设。
一、建库目标库址的确定
本阶段的目的是确定储气库建库目标、区块及层段,分为如下两个阶段。
(一)区城普查,确定建库目标库址
大多数盐岩矿床是通过地震普查、油气勘探钻井或盐矿开采过程中发现的。
本阶段的任务就是利用现有的物探、钻探、地球物理测井及盐矿的水采等资料开展盐岩矿床构造、断裂系统、盐岩分布规律、含盐层系内部结构,盖层分布及封闭性、盐岩稳定性等分析评价,初步评价盐岩矿床是否具备建设盐穴储气库的基本条件。
(二)建库区块及层段的确定
本阶段借助地震、探井、采盐井或新钻资料井的手段,来确定盐体的埋深、分布、形态、边界、盖层特征和地层层序;借助岩心资料分析盐层及夹层的物理化学特性、分析盖层及夹层的密封性、分析含盐地层的力学特性,评价优选有利的建库区块及层段。
二、建库方案设计
建库方案设计包括储气库建设地质方案及工程方案(钻完井工程、造腔工程、注气排卤工艺、地面工程》两个方面。
(一)储气库建设地质方案
通常称之为建库方案,力案设计,此阶段重点评价盐岩在力学上的长期稳定性和闭合速度,考虑单腔的深度。
体职.儿何形态、高宽比,顶都形态、盖层的特性和完整性,确定单腔的基本形态参数及运行压力范围、合理注采气速度,同时确定合理的安全矿柱宽度,完成建库部署设计方案。
(二)储气(库建设工程方案
钻完井工程,包括井身结构,套管程序,钻井被设计,粘机选择、國井液设计、水泥浆配方等。
造腔工程:
包括造控管柱优选、水力计算、阻控剂设计及盐腔检测等。
注采气排卤工艺:
包括往采管柱设计,注气排卤管柱设计,注气排卤巍工程序和设备等。
地面工程:
包括注果气站,输气干线、集输系统、公用工程,生产组织及定员等。
此外。
还包括安全,环保,职业卫生、自然实害评估等及其预案。
三、储气库施工建设
储气库施工建设要严格执行国家与行业现行的有关标准、规程和规范,严格按照设计进行施工,同时要保证重视整个工程所沙及范圈内生态环境的保护。
储气库的施工建设是项复杂的系统工程,除了相配套的地国设施、设备。
管线的建设外。
还包括钻井、造胞,注气排卤等方面。
盐六鍺气库一般由多个单腔构成,一般采用直井单腔的钻井方式。
储气库建设步骤如下。
(1)钻完井:
储气库井根据设计方案站至设计深度后,下入设计尺寸的套警固井;然后再在套管内从外向内依次下人中间管和中心管,安装造腔井口装置。
(2)造腔:
是个有控制的水路采卤过程,在采卤管柱下到盐层内以后,由高压大排量离心泵,通过地面管汇和采卤管柱。
將淡水注人盐层,都解盐层后形成卤水,再返目地面处理利用或排放。
不同新地往人谈水和返出卤水,在盐层中便形成越来越大可供储存天然气的空间。
为了建造规定体积和形态的稳定盐腔,造腔初期(建櫓》和末期(修整)使用正循环,其余大部分时间使用反循环,在造腔不同阶段要及时调整管柱下人深度、阻瘩剂界面位置、注人演水排量。
在盐腔建造完成之后,测量有效体民和形态,测试对气体的密封能力,评价各部位的稳定性能。
(3)生气排卤:
查腔作业完成后拆除井口装置,再下人注采气油管柱,通过密封性检测合格后,开始往气排卤作业。
注气排卤过程是以油警环形空间向盐穴内生人天然气,卤水通过油瞥被置换到地面。
这是盐穴地下储气阵首次注人天然气的作业,标志着从建设阶段向生产运行阶段的过接。
(4)注采排卤作业结束后,从井内起出排卤油管柱,安装注深天然气井口,至此,完成了盐穴储气库地下工程建设,可以转人储气库的正常运行。
值得指出的是:
在造腔过程不同阶股及造腔结束需要对盐腔形态进行检测;須对究钻井眼,完成的盐腔及共口装置、下人管柱等进行密封性检测。
第四节国外盐穴储气库介绍
根据2009年10月阿根廷第24次世界天然气大会储气库工作委员会的统计,目前世界上运营的74座盐穴储气库主要建造在北美和欧洲,以美国和德国居多,其中美国31座、德国23座,工作气量分别为50.27x108m3,78.86x108m3(表1-2)。
下面介绍一下美国和德国盐穴地下储气库的情况。
一、美国盐穴地下储气库
1961年在美国密执安圣克莱尔县首次用盐六储气,随后在得克萨斯州、路易斯安州、密歇根州、堪萨斯州、阿尔巴马州等相继建成了一~批盐穴地下储气库。
美国建成的盐穴地下储气库中,用来储天然气的149个盐穴,总库容量为73.58x108m3,工作气量为50.27x108m3(表1-3)。
表1-3美国各地区天然气盐穴地下储库统计表
序号
储气库名称
投产年份
工作气量(x106m3)
垫气量(x106m3)
峰值采气量(x106m3)
盐腔数(个)
地层
构造深度(m)
上限压力(bar)
盐层厚度(m)
1
Bethel
1974
184.1
116.1
707.9
3
LouanneDomalSalt
1308
225.5
304.8
2
BethelⅡ
1898
201
84.9
707.9
2
LouanneDomalSalt
212.4
3
ClementsTeminal
1985
42.2
22.8
88.5
1
ClamentsSaltDome
859
137.9
300.5
4
Egan
1995
594.5
130.3
1769.8
3
LouannDomalSalt
1128
206.8
414.5
5
Eminence
1970
424.7
218.5
1769.8
7
EminenceSaltDone
732
241.3
6
HattiesburgGasStorage
1990
99.1
56.6
412.9
3
PetalSaltDome
610
108.2
7
JeffersonIsland
1996
160.6
90.6
825.9
2
SaltDome
1219
225.5
335.3
8
KeystoneGasStorage
2002
141.6
42.5
354
5
SaladoSaltwithanhydratelayers
579
103.4
243.8
9
LaceyField
1973
5
2.1
29.5
2
SilurianA-2BeddedSalt
945
103.4
39.6
10
Markham
2007
544.6
241.7
1.2
4
MarkhamSaltDome
1042
179.3
457.2
11
McIntoshSaltDome
1994
169.9
53.8
707.9
2
LouannSalt
1219
213.7
304.8
12
Morton16Field
1961
5.5
4.5
70.8
1
SilurianB-Bedded
637
72.4
46.3
13
Morton17-21AField
1978
56.6
41.1
70.8
5
SilurianB-BeddedSalt
595
72.4
62.8
14
MossBluff
1990
444.6
124.6
1179.9
3
LouannDomalSalt
762
137.9
472.4
15
Napoleonville
2002
203.1
107.4
0.7
1
DomalSalt
112.1
16
NorthDayton
1988
115.8
60.9
589.9
2
LouannDomedSalt
1067
181
213.4
17
PetalGasStorage
1993
269
120.3
1120.9
2
PetalSaltDome
1280
220.6
18
PierceJunction
2005
80.7
17
0.3
1
PierceJunctionSaltDome
113.3
19
Saldo#1
1993
28
11.9
236
1
SaladoSalt
137.9
243.8
20
Saldo#2
1995
30.3
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