引言

盐穴储气库具备工作气量比例高、注采气操作灵活等优势，最适合用于天然气管道调峰，在国内具有很好的发展前景。国内盐穴储气库的建设已有十多年的历史，积累了丰富的造腔实践经验，在水溶造腔机理及工艺技术等方面取得了一些研究成果^[1-11]。金坛储气库是国内第一个盐穴储气库，研究分析其建设过程存在的问题，可为国内其他盐穴储气库的建设提供借鉴。

有关金坛储气库的研究，概括起来主要有以下几个方面：(1)关于溶腔工艺技术及腔体形态体积等造腔方案参数的优化分析^[12-14]；(2)总结分析了造腔生产过程中可能存在的问题，并提出了相应的动态监控分析方法^[15-16]；(3)在国内首次开展了以天然气阻溶为核心的腔体扩容及修复试验^[17-18]；(4)通过地质力学参数校正及腔体运行损伤评价分析等来优化腔体的运行压力区间^[19-21]。但是关于腔体形态异常，尤其是腔体偏溶方面的研究成果还很少。

基于声呐测腔数据，统计了金坛储气库盐腔的偏溶系数和偏溶方向，结合库区的地质和地应力等数据分析了腔体发生偏溶的原因，对金坛及国内其他盐穴储气库以后的造腔设计与施工具有一定的指导意义。

1 金坛储气库简介

金坛储气库地理位置位于江苏省常州市金坛区直溪镇，构造位置处于金坛盆地直溪桥凹陷内，盐岩层发育于古近系阜宁组上部，埋深975$\sim$1 200 m，厚度150$\sim$230 m，不溶物含量14.95%$\sim$24.48%^[10]。金坛储气库设计库容26.00$\times$10$^8$ m$^3$，工作气17.00$\times$10$^8$ m$^3$，目前已形成库容9.00$\times$10$^8$ m$^3$、工作气量5.40$\times$10$^8$ m$^3$。从2007年开始注采运行，截止到2017年底，金坛储气库累计注气25.40$\times$10$^8$ m$^3$，累计采气19.05$\times$10$^8$ m$^3$，注采气量呈逐年递增趋势，在西气东输管道调峰中发挥了重要作用(图 1)。其中，2017年共进行了4轮注气、6轮采气，累计采气量7.40$\times$10$^8$ m$^3$，是库区已形成工作气量的1.4倍，凸显了盐穴储气库注采气运行的灵活性。

2 声呐测腔技术

单个盐腔从开始溶腔至最终完腔，需经历数个溶腔阶段，每个阶段结束后需通过专门的声呐设备测量腔体的形态和体积，为后续溶腔方案的设计或调整提供依据。声呐测腔的基本原理就是声波测距原理^[11]。声呐测量仪器下入盐腔中后，可以向卤水中发出超声波并在其中传播。超声波遇到盐腔壁后，产生反射波，一部分反射波会被声呐测量仪接收到，并记录下其从发射到返回的时间，这个时间是超声波从声呐测量仪到腔壁的双程传播时间。另外，声呐测量仪还可以测量超声波在卤水中的传播速度，乘以传播时间后就是声呐测量仪到腔壁的双程距离，除以2就是声呐测量仪到腔壁的距离。

声呐仪器下入到一定深度，首先，进行定位，从正北方向开始测量，然后顺时针旋转，每隔一定角度测量一个值，旋转一周后重新回到正北方向。然后，上提或下放仪器至另一深度，根据需要可进行水平或倾斜测量，如此重复，直至完成整个腔体形态的检测。测量结果就是不同深度上以井眼为圆心，以测量值为半径的一系列数据点，在专业软件上将各点连接起来就直观反映出了腔体的形态特征及体积大小(图 2)。

3 金坛储气库腔体偏溶特征

腔体的偏溶是指盐穴储气库在注水造腔过程中，由于同一深度不同方向上的盐岩溶解速率不同而产生的腔体半径大小不同的现象。偏溶是促使腔体形态不规则的重要因素，对腔体的体积也会产生一些不良影响^[22]。为定量表征腔体的偏溶现象，基于声呐测腔数据(图 2)，提出了偏溶系数这个参数，即最大半径与同一深度最小半径的比值，来表征腔体的偏溶程度。最大半径方向即为腔体偏溶方向。基于金坛储气库36口腔的声呐数据，计算了每口腔的偏溶系数，并统计了每口腔的偏溶方向(表 1)。

金坛储气库腔体偏溶系数最大值11.88，最小值1.13，说明腔体偏溶是一个普遍现象。根据偏溶系数的大小对金坛储气库的腔体进行了分类：1.00 < 偏溶系数$\leqslant$1.50的为正常腔体，共9口，占比25%；1.50 < 偏溶系数$\leqslant$2.00的为轻微偏溶腔体，共12口，占比33%；2.00 < 偏溶系数$\leqslant$2.50的为中等偏溶腔体，共7口，占比20%；偏溶系数>2.50的为严重偏溶腔体，共8口，占比22%。腔体偏溶方向以北东—南西向为主(图 3)。

腔体的偏溶达到一定程度后，后期就很难通过造腔工艺参数的调整来改变这种现象。金坛储气库完腔井造腔过程中各阶段偏溶特征分析结果表明，造腔过程中腔体的偏溶程度有3种变化趋势：(1)造腔前期腔体形态正常，造腔中后期腔体出现偏溶现象(图 4a)；(2)造腔前期腔体轻微偏溶，造腔中后期偏溶系数增大，偏溶程度加重(图 4b)；(3)腔体形态正常，未出现偏溶(图 4c)。

4 偏溶原因分析 4.1 夹层不均匀垮塌

金坛储气库的造腔段是阜宁组四段的层状盐岩，含有一定数量的泥质夹层。因泥质不溶于水，夹层在水溶造腔过程中会随着腔体的扩大而逐渐垮塌，垮塌物堆积于腔体底部。受夹层地质特征及力学性质空间分布非均质性等多种因素的影响，不同夹层及同一夹层不同方向上的垮塌特征是不同的，这对腔体的形态有重要影响。

如果夹层垮塌的速度与盐岩水平方向上的溶解速度一致，腔体壁面就比较光滑(图 4c)。如果夹层垮塌的速度与盐岩水平方向上的溶解速度不一致，腔体壁面就会出现岩脊或岩谷，形态就会呈现出一定程度的不规则。同一个夹层，如果不同方向上的垮塌速度不一致，就会造成腔体不同方向上的半径不一致，而不同方向的半径差距较大时就是偏溶现象。

典型实例是A井，该井可用于造腔的盐层中发育有7个泥质夹层，前两个阶段在比较纯的盐层段造腔，腔体形态比较规则，最大半径26 m，同一平面上的最小半径为21 m，计算出的腔体偏溶系数为1.24，属正常腔体(图 5a)。第二阶段结束后，油垫由1 169 m提升到1 130 m，造腔段内含有4个泥质夹层。第三阶段造腔过程中，1号夹层均匀垮塌，其下部腔体形态比较规则，但是2、3、4号夹层不均匀垮塌，腔体一侧夹层垮塌速度与盐岩溶解速度一致，壁面比较光滑；腔体另一侧夹层垮塌速度快于盐岩溶解速度，壁面出现岩谷。腔体上部不同方向上的半径大小出现较大差别，其中2号夹层垮塌处偏溶系数达到了2.40，3号夹层垮塌处偏溶系数达到了3.80，4号夹层垮塌处偏溶系数达到了3.00，腔体上部出现了严重偏溶(图 5b)。

腔体一侧岩谷的出现，增大了盐岩与水的接触面积，加快了这一侧盐岩的溶解，使得腔体的偏溶现象更加明显，第四阶段结束后腔体的最大偏溶系数已经达到了5.00(图 5c)。夹层垮塌后形成的不溶物堆积在腔体底部，因2、3、4号夹层在一侧的垮塌程度较另一侧严重，致使该方向上腔底的堆积物明显多于另一侧(图 5b，图 5c)。

4.2 造腔段盐层厚度

统计了金坛储气库已完腔腔体的偏溶系数大小与其可造腔盐层厚度、盐层埋深、隔夹层数量等各项地质参数之间的关系。结果表明，腔体的偏溶系数有随着可造腔盐层厚度增大而增大的趋势(图 6)，即可造腔盐层厚度越大，腔体发生偏溶的可能性也就越大、偏溶程度也可能就越严重。分析其原因，有两条：(1)可造腔盐层厚度越大，垂向上各小层及夹层间的非均质性差异越大，造腔过程中不同盐层的溶蚀速度及不同夹层的垮塌程度出现差异的可能性就越大，致使腔体不同深度、不同平面上的半径差异就越大；(2)可造腔盐层厚度越大，腔体完腔的时间就越长，即溶蚀时间也就越长。而腔体的偏溶可以加速偏溶方向上盐岩的溶蚀，因此，溶蚀时间越长，腔体的偏溶现象就越严重。

4.3 地应力方向

金坛储气库最大主应力方向为北东—南西向，最小主应力方向为北西—南东向^[23]。金坛储气库36口腔的偏溶方向统计结果表明：腔体的主要偏溶方向是北东—南西向，与最大主应力方向一致；另一偏溶方向为北西—南东向，与最小主应力方向一致(图 3)。说明盐穴储气库建库区的地应力方向对腔体的偏溶方向具有重要的影响。

钻井过程中形成的井眼，打破了地层中原有的地应力平衡状态，井壁上常常会产生应力释放缝，应力释放缝的走向与最大水平主应力方向一致(图 7a)。另外，钻井过程中，如果钻井液液柱压力过大，井壁上会形成压裂诱导缝，压裂诱导缝的走向与最大水平主应力方向一致(图 7a)；如果钻井液液柱压力过小，井壁岩石就会崩落，形成椭圆井眼，崩落方位与最小水平主应力方向一致(图 7b)^[24-26]。

裂缝或椭圆井眼的形成，增大了盐岩与卤水的接触面积，加速了最大水平主应力或最小水平主应力方向上盐岩的溶蚀，致使这两个方向上的腔体半径大于其他方向，这是地应力方向影响腔体偏溶方向的根本原因。金坛储气库腔体偏溶方向与最大主应力方向一致，分析发现，是钻井过程中井壁上产生的裂缝主导了腔体偏溶方向的发展。

5 结论

(1) 基于声呐测腔数据，提出了偏溶系数这个参数，即最大半径与同一深度最小半径的比值，来定量表征腔体的偏溶程度。最大半径方向即为腔体偏溶方向。

(2) 金坛储气库腔体偏溶系数最小值1.13、最大值11.88，说明腔体偏溶是一个普遍现象，偏溶方向以北东—南西向为主。

(3) 造腔过程中腔体的偏溶程度有3种变化趋势：造腔前期腔体形态正常，造腔中后期腔体出现偏溶现象；造腔前期腔体轻微偏溶，造腔中后期偏溶系数增大，偏溶程度加重；腔体形态正常，未出现偏溶。

(4) 造腔过程中夹层的不均匀垮塌可促使腔体发生偏溶；可造腔盐层厚度越大，腔体发生偏溶的可能性就越大，偏溶程度越严重；地应力方向对腔体的偏溶方向具有重要的影响。