专利名称：地下盐穴储气库及其建造方法
技术领域：
本发明属于油气资源开发领域，具体地，涉及一种应用于地下盐穴储气库及其建造方法。
背景技术：
在我国很多盐穴储气库建在地下盐岩地层中，由于盐岩具有盐岩层多、厚度薄且夹层交替出现，使得完井套管柱安全面临更大的挑战，主要有三方面原因。第一，由于盐岩具有典型的蠕变性，在远场地应力作用下井眼附近盐岩开始发生蠕变，向井眼周围产生位移和变形，使得地应力通过盐岩蠕变作用于水泥环和完井套管，且外挤载荷表现出很大的不均匀性。第二，夹层与盐岩物理力学性能差别较大，在蠕变变形时表现出很强的不一致性，使得套管柱在受到外挤载荷的同时还需要承受夹层作用在其上的剪切力。第三，为了提高储气库注采效率，储气库套管柱尺寸一般比较大，不利于套管受力和安全。盐穴储气库套管柱一旦发生破坏，将会造成重大经济损失和人生安全。现阶段地下盐穴储气库套管柱设计主要存在以下3个缺点(I)已有油气井完井管柱专利主要针对油藏和气藏，并未考虑到盐穴储气库实际工况及受力特点，如果应用于盐穴储气库完井管柱将会存在安全隐患。(2)在对盐岩地层中套管设计中以盐岩段地层套管受力作为设计依据，往往使得上部地层中的套管柱安全冗余度较高，造成浪费。(3)在盐岩地层中套管柱设计过程中没有考虑到管柱内高压气体的影响，未设置天然气泄漏监测和控制装置，安全可靠性低。本发明综合考虑地下盐穴储气库作业工况，在井口位置处安装多个压力表和控制阀对可能的泄漏进行实时监测和控制。同时，重点考虑盐岩蠕变的影响，提高位于盐岩地层中完井管柱钢级，增加管柱的安全性，降低整个管柱费用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种地下盐穴储气库及其建造方法，解决地下盐穴储气库完井管柱设计和施工中存在的难题；具有安全可靠性高和动态监测功能，进一步地，可以有效降低盐穴储气库在运行过程中套管柱发生失效的可能性。本发明的技术方案如下一种地下盐穴储气库，包括盐穴、完井导管、技术套管、完井套管、封隔器、卡瓦、密封盖、天然气注采管柱；天然气注采管柱从地面深入到地下盐穴内部；完井套管从地面深入到地下盐穴顶部；完井套管底端与天然气注采管柱通过封隔器和卡瓦连接，卡瓦下端面与完井套管柱底端平齐，封隔器位于卡瓦上端并与卡瓦相连；压力平衡液充满整个天然气注采管柱与完井管间在封隔器上面的环空；完井导管、技术套管和完井套管采用水泥浆胶结在一起，顶端与地面平齐且安装有密封盖；其特征在于密封盖上安装有压力表与控制阀，用于监测和控制天然气泄漏。
优选地，在天然气注采管柱地面位置处安装有第一密封盖；在第一密封盖上安装有第一控制阀、第二控制阀和第一压力表；第一控制阀用于控制天然气注采管柱内天然气的注采，第二控制阀与第一压力表用于监测天然气注采管柱内压力变化。优选地，在天然气注采管柱与完井套管环空的地面位置处安装有第二密封盖；在第二密封盖上面安装有第三控制阀与第二压力表，用于监测和控制天然气泄漏。优选地，在完井套管与技术套管环空的地面位置处安装有第三密封盖；在第三密封盖上面安装有第四控制阀与第三压力表，用于监测和控制天然气泄漏。优选地，在技术套管与完井导管环空的地面位置处安装有第四密封盖；在第四密封盖上面安装有第五控制阀与第四压力表，用于监测和控制天然气泄漏。优选地，在盐岩地层中完井套管的钢级比泥岩地层中的高一级。地下盐穴储气库的建造方法，其特征在于包括如下步骤(I)、外挤载荷选取利用声波测井资料或者该区域内已有套管挤毁参数，获得储气库顶部位置处盐岩地层的最大和最小水平地应力值；(2)、管柱选型及下入深度确定根据注采气管柱尺寸选择完井管柱、技术套管、完井导管尺寸，确定套管柱下入深度参数；(3)、钻井及完井钻井至完井导管、技术套管和完井套管设计深度处，先后下入完井导管、技术套管和完井套管，在管柱与地层间的环空中注入水泥浆完井，水泥浆返高至地面，候凝；在盐岩地层中完井套管的钢级比泥岩地层中的高一级；(4)、封隔器和卡瓦安装溶漓造腔至盐穴达到设计尺寸；通过安装封隔器和卡瓦将完井套管柱底端与天然气注采管柱连接，并在封隔器以上环空中注入压力平衡液；(5)、密封盖安装在天然气注采管柱、天然气注采管柱与完井套管环空、完井套管与技术套管环空、技术套管与完井导管环空的地面位置处分别安装第一密封盖、第二密封盖、第三密封盖和第四密封盖；(6)、压力表和控制阀安装天然气注采管柱地面位置的第一密封盖上安装第一控制阀、第二控制阀和第一压力表；第一控制阀用于控制天然气注采管柱内天然气的注采，第二控制阀与第一压力表用于监测天然气注采管柱内压力变化。优选地，天然气注采管柱与完井套管环空的地面位置的第二密封盖上面安装第三控制阀与第二压力表，用于监测和控制天然气泄漏。优选地，完井套管与技术套管环空的地面位置的第三密封盖上面安装第四控制阀与第三压力表，用于监测和控制天然气泄漏。优选地，在技术套管与完井导管环空的地面位置的第四密封盖上面安装第五控制阀与第四压力表，用于监测和控制天然气泄漏。本发明重点考虑了盐岩蠕变对完井套管柱安全性的影响，提高位于盐岩地层中完井管柱钢级，增加管柱的安全性，与原有技术相比可以显著降低整个管柱费用。同时，本发明能对管柱密封性进行了实时监测，及时发现天然气泄漏，防止安全事故；第三，本发明管柱结构施工过程简单、可行，不需要额外增加施工作业工具和工序。综述所述，本发明具有安全性能好、施工过程简单、费用低等优点。
图I是一种地下盐穴储气库结构示意图；图2是图I局部放大图；图中1、地面，2、水泥浆，3、完井导管，4、技术套管，5、泥岩地层完井套管，6、压力平衡液，7、盐岩地层完井套管，8、封隔器，9、卡瓦，10、盐穴，11、天然气注采管柱，12、盐岩地层，13、泥岩地层，41、第一控制阀，42、第二控制阀，43、第三控制阀，44、第四控制阀，45、第五控制阀，51、第一压力表,52、第二压力表,53、第三压力表,54、第四压力表；31、第一密封盖，32、第二密封盖，33、第三密封盖，34、第四密封盖。
具体实施例方式如图I所示，盐穴10顶部距离地表975. 6m，距离顶部泥岩地层13底面为23. 2m ； 泥岩地层13埋深为O 945. 6m,盐岩地层12埋深为945. 6m 1116. 4m。地下盐穴储气库结构包括水泥浆2、完井导管3、技术套管4、泥岩地层完井套管
5、压力平衡液6、盐岩地层完井套管7、封隔器8、卡瓦9、盐穴10、天然气注采管柱11、第一控制阀41、第二控制阀42、第三控制阀43、第四控制阀44、第五控制阀45、第一压力表51、 第二压力表52、第三压力表53、第四压力表54、第一密封盖31、第二密封盖32、第三密封盖
33、第四密封盖34。天然气注采管柱11从地面I深入到盐穴内部，天然气注采井管柱外径为177. 8mm、 壁厚9. 19mm、钢级为PllO ;完井套管从地面深入到地下盐穴顶部；完井套管底端与天然气注采管柱通过封隔器8和卡瓦连接9，卡瓦下端面与完井套管柱底端平齐，封隔器位于卡瓦上端并与卡瓦相连；压力平衡液6在封隔器上面，充满整个天然气注采管柱与完井管间的环空；完井导管3、技术套管4和泥岩地层完井套管5采用水泥浆胶结在一起；泥岩地层完井套管5和盐岩地层完井套管7通过螺纹接头连接；完井管柱长度为盐穴顶部位置至地表的井眼长度，技术套管长度为1/6 1/8完井管柱长度，完井导管长度为50m。第一密封盖31安装在天然气注采管柱井口位置，密封整个天然气注采管柱；第二密封盖32安装在天然气注采管柱与泥岩地层完井套管井口位置的环空上面，密封环空；第三密封盖33安装在完井套管与技术套管井口位置的环空上面，密封环空；第四密封盖34安装在技术套管与完井导管井口位置的环空上面，密封环空。第一控制阀41、第二控制阀42、第一压力表51安装在第一密封盖上；第一控制阀用于控制天然气注采管柱内天然气的注采；第二控制阀和第一压力表组成一个元件用于监测天然气注采管柱内压力变化。第三控制阀43和第二压力表52组成一个元件，安装在第二密封盖上，用于监测和控制天然气注采管柱和完井套管间环空的天然气泄漏。第四控制阀44和第三压力表53组成一个元件，安装在第三密封盖上，用于监测和控制完井套管和技术套管间环空的天然气泄漏。第五控制阀45和第四压力表54组成一个元件，安装在第四密封盖上，用于监测和控制技术套管和完井导管间环空的天然气泄漏。完井导管、技术套管和完井套管接头螺纹均采用具有金属对金属密封结构。图I所示的地下盐穴储气库的建造过程如下(I)、地应力确定根据声波测井资料解释获得我国某拟建盐穴储气库目标地层最大和最小地应力分别为14. 42MPa和13. 26MPa，可以计算得到最大和最小水平地应力之差为8. 02%，小于10%，因此可以按照均匀地应力设计。根据储气库顶部到地面距离可以计算得到静水压力为9. 56MPa，小于最大水平地应力值，在套管柱选择中以14. 42MPa为基准值。(2)、管柱选型及下入深度根据井眼深度为975. 6m，则可以得到完井管柱长度为 975. 6m,可以技术套管长度为163m (1/8 1/6完井管柱长度)，完井导管长度50m。根据某盐穴储气库实际注采工艺要求，注采气管柱外径为177. 8mm、壁厚为9. 19mm、钢级为N80， 则可以选用完井管柱外径为244. 5mm、壁厚10. 03mm、钢级N80、螺纹接头为偏梯形扣。根据 API5CT标准可以得到该型套管抗挤强度为21. 3MPa、承受内压能力为39. 6MPa，均大于最大水平地应力14.42MPa和最大设计注气压力18MPa，满足安全生产要求。考虑到盐岩地层中套管还需要承受蠕变载荷作用，完井套管选用外径为244. 5mm、壁厚10. 03mm、钢级C90、螺纹接头为偏梯形扣，且要求套管柱最大壁厚不均匀度小于5%、最大椭圆度小于0.3%。技术套管为外径339. 7mm、壁厚9. 65mm、钢级N80。完井导管为外径508mm、壁厚11. 13mm、钢级 J55。(3)、钻井及完井采用直径为660mm钻头钻井至50m深度位置处,井斜角小于 2°，下入外径508mm、壁厚11. 13!11111、钢级邗5的完井导管，注入低温早强盐水水泥浆，返高至地面，候凝12小时；采用直径为444. 5mm钻头钻井至163m深度位置处，井斜角小于2°， 下入外径339. 7mm、壁厚9. 65mm、钢级N80的技术套管，注入低温早强盐水水泥浆，返高至地面，候凝12 24小时；采用直径为314. Imm钻头钻井至1090. 6m深度位置处(包含储气库设计高度115m)，井斜角小于2°。泥岩地层25埋深为O 945. 6m,下入外径为244. 5mm、壁厚10. 03mm、钢级N80、螺纹接头为偏梯形扣的完井套管；盐岩地层埋深为945. 6m 975. 6m 下入外径为244. 5mm、壁厚10. 03mm、钢级C90、螺纹接头为偏梯形扣的完井套管。注入低温早强盐水水泥浆，返高至地面，候凝24小时。(4)、封隔器和卡瓦安装采用注入清水溶漓造腔并通过加入顶部结构保护油控制盐穴储气库形状至设计尺寸结束；在完井管柱中下入注采管柱并在注采气管柱与完井管柱位于储气库顶部位置安装Y422型封隔器、卡瓦，进行坐封；在封隔器以上环空中注入压力平衡液，可以计算其静水压力为9. 56MPa。Y422型封隔器额定工作压差为20MPa，可以得到封隔器可以密封的压力为 29. 56MPa，大于盐穴储气库最大设计内压18MPa，满足密封要求。(5)、密封盖安装在天然气注采管柱井口位置安装第一密封盖，密封整个天然气注采管柱；在天然气注采管柱与泥岩地层完井套管井口位置的环空上面安装第二密封盖， 密封环空；在完井套管与技术套管井口位置的环空上面，密封环空安装第三密封盖，密封环空；在技术套管与导管井口位置的环空上面安装第四密封盖，密封环空。(6)、压力表和控制阀安装在第一密封盖上安装第一控制阀、第二控制阀和第一压力表。第一控制阀用于控制天然气注采管柱内天然气的注采；第二控制阀和第一压力表组成一个元件用于监测天然气注采管柱内压力变化。在第二密封盖上安装第三控制阀和第二压力表，监测和控制天然气注采管柱和完井套管间环空的天然气泄漏。在第三密封盖上安装第四控制阀和第三压力表，监测和控制完井套管和技术套管间环空的天然气泄漏。在第四密封盖上安装第五控制阀和第四压力表，监测和控制技术套管和完井导管间环空的天然气泄漏。至此地下盐穴储气库施工完成，调试后进入运营。本实施例中压力表用于监测天然气压力变化，控制阀用于控制天然气泄漏，一旦天然气压力高于压力表额定压力可以关闭压力阀防止天然气泄漏；压力表和控制阀均为无锡市华庄自动化仪表厂生产的产品；溶漓造腔方式为正循环方式或者反循环方式；顶部结构保护油为柴油或煤油或重质直馏石脑油。
权利要求
1.一种地下盐穴储气库，包括盐穴、完井导管、技术套管、完井套管、封隔器、卡瓦、密封盖、天然气注采管柱；天然气注采管柱从地面深入到地下盐穴内部；完井套管从地面深入到地下盐穴顶部；完井套管底端与天然气注采管柱通过封隔器和卡瓦连接，卡瓦下端面与完井套管柱底端平齐，封隔器位于卡瓦上端并与卡瓦相连；压力平衡液充满整个天然气注采管柱与完井管间在封隔器上面的环空；完井导管、技术套管和完井套管采用水泥浆胶结在一起，顶端与地面平齐且安装有密封盖；其特征在于密封盖上安装有压力表与控制阀， 用于监测和控制天然气泄漏。
2.根据权利要求I所述的地下盐穴储气库，其特征在于在天然气注采管柱地面位置处安装有第一密封盖；在第一密封盖上安装有第一控制阀、第二控制阀和第一压力表；第一控制阀用于控制天然气注采管柱内天然气的注采，第二控制阀与第一压力表用于监测天然气注采管柱内压力变化。
3.根据权利要求1-2所述的地下盐穴储气库，其特征在于在天然气注采管柱与完井套管环空的地面位置处安装有第二密封盖；在第二密封盖上面安装有第三控制阀与第二压力表，用于监测和控制天然气泄漏。
4.根据权利要求1-3所述的地下盐穴储气库，其特征在于在完井套管与技术套管环空的地面位置处安装有第三密封盖；在第三密封盖上面安装有第四控制阀与第三压力表， 用于监测和控制天然气泄漏。
5.根据权利要求1-4所述的地下盐穴储气库，其特征在于在技术套管与完井导管环空的地面位置处安装有第四密封盖；在第四密封盖上面安装有第五控制阀与第四压力表， 用于监测和控制天然气泄漏。
6.根据权利要求1-5所述的地下盐穴储气库，其特征在于在盐岩地层中完井套管的钢级比泥岩地层中的高一级。
7.权利要求1-6所述的地下盐穴储气库的建造方法，其特征在于包括如下步骤(1)、外挤载荷选取利用声波测井资料或者该区域内已有套管挤毁参数，获得储气库顶部位置处盐岩地层的最大和最小水平地应力值；(2)、管柱选型及下入深度确定根据注采气管柱尺寸选择完井管柱、技术套管、完井导管尺寸，确定套管柱下入深度参数；(3)、钻井及完井钻井至完井导管、技术套管和完井套管设计深度处，先后下入完井导管、技术套管和完井套管，在管柱与地层间的环空中注入水泥浆完井，水泥浆返高至地面， 候凝；在盐岩地层中完井套管的钢级比泥岩地层中的高一级；(4)、封隔器和卡瓦安装溶漓造腔至盐穴达到设计尺寸；通过安装封隔器和卡瓦将完井套管柱底端与天然气注采管柱连接，并在封隔器以上环空中注入压力平衡液；(5)、密封盖安装在天然气注采管柱、天然气注采管柱与完井套管环空、完井套管与技术套管环空、技术套管与完井导管环空的地面位置处分别安装第一密封盖、第二密封盖、第三密封盖和第四密封盖；(6)、压力表和控制阀安装天然气注采管柱地面位置的第一密封盖上安装第一控制阀、第二控制阀和第一压力表；第一控制阀用于控制天然气注采管柱内天然气的注采，第二控制阀与第一压力表用于监测天然气注采管柱内压力变化。
8.根据权利要求7所述的地下盐穴储气库的建造方法，其特征在于天然气注采管柱与完井套管环空的地面位置的第二密封盖上面安装第三控制阀与第二压力表，用于监测和控制天然气泄漏。
9.根据权利要求7-8所述的地下盐穴储气库的建造方法，其特征在于完井套管与技术套管环空的地面位置的第三密封盖上面安装第四控制阀与第三压力表，用于监测和控制天然气泄漏。
10.根据权利要求7-9所述的地下盐穴储气库的建造方法，其特征在于在技术套管与完井导管环空的地面位置的第四密封盖上面安装第五控制阀与第四压力表，用于监测和控制天然气泄漏。
全文摘要
本发明属于油气资源开发领域，具体地，涉及一种地下盐穴储气库及其建造方法。地下盐穴储气库包括盐穴、导管、技术套管、完井套管、控制阀、压力表、封隔器、卡瓦、密封盖、天然气注采管柱；天然气注采管柱从地面深入到地下盐穴内部；完井套管从地面深入到地下盐穴顶部；完井套管底端与天然气注采管柱通过封隔器和卡瓦连接；在井口位置安装密封盖、压力表、控制阀；在盐岩地层中完井套管柱的钢级比其他地层中的高一级。建造步骤包括外挤载荷选取、管柱选型及下入深度确定、钻井及固井、封隔器和卡瓦安装、密封盖安装、压力表和控制阀安装。本发明重点考虑了盐岩蠕变对完井套管柱安全性的影响，同时对管柱密封性能进行了实时监测，安全可靠性高。
文档编号E21F17/16GK102587981SQ20121006276
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月12日 优先权日2012年3月12日
发明者杨秀娟, 王同涛, 闫相祯 申请人:中国石油大学(华东)