江漢超深超大型鹽穴洞形優(yōu)化研究

付曉飛

(中國石化江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院，湖北武漢 430223)

潛江凹陷潛二段主要發(fā)育鹽巖，鹽層間發(fā)育泥巖隔夾層，導(dǎo)致運(yùn)行壓力過高或者過低時(shí)，容易引起腔體坍塌。江漢王儲(chǔ)3 儲(chǔ)氣庫潛二段第12 夾層厚7 m，通過造腔過程中的工藝控制，實(shí)現(xiàn)了順利垮塌，使造腔地層厚度由105 m增加到195 m。

在非均質(zhì)的層狀鹽巖礦床內(nèi)建造儲(chǔ)氣庫時(shí)，當(dāng)儲(chǔ)氣庫尺寸和高徑比等參數(shù)變化較大時(shí)，會(huì)影響到儲(chǔ)氣庫長期安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

20 世紀(jì)60 年代，國外學(xué)者[1-4]分析了鹽穴尺寸、埋深、頂?shù)装搴穸群土W(xué)參數(shù)對鹽穴的影響，得到了鹽丘型儲(chǔ)庫的最優(yōu)腔體設(shè)計(jì)參數(shù)。目前，國內(nèi)學(xué)者李建中、邱賢德、劉新榮等[5-12]提出了難溶夾層垮塌控制技術(shù)，但江漢盆地黃場鹽穴地下儲(chǔ)氣庫的鹽層性質(zhì)、巖鹽埋深、腔體形態(tài)與規(guī)模和已建成的鹽穴儲(chǔ)氣庫存在一定的地質(zhì)差異，為避免因采用不合理的腔體形狀對儲(chǔ)氣庫的穩(wěn)定性及長期安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，依據(jù)江漢盆地王儲(chǔ)3 井腔體資料[13]，對超深超大型鹽穴洞形優(yōu)化進(jìn)行了研究。

1 腔體尺寸優(yōu)化

首先對腔體形狀和尺寸進(jìn)行造腔設(shè)計(jì)，得到腔體形狀和尺寸，然后分別建立了腔體直徑為70、80、85 和90 m 條件下的三維地質(zhì)力學(xué)計(jì)算模型。由于鹽巖具有流變性特征，認(rèn)為鹽巖地層中初始地應(yīng)力分布滿足靜水壓力分布，即地應(yīng)力場采用三向等壓自重應(yīng)力場。溶腔內(nèi)部施加天然氣內(nèi)壓，分別取為17、20、23、26、29 和32 MPa。根據(jù)鹽穴儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)規(guī)范[14]，在數(shù)值模擬計(jì)算鹽穴運(yùn)行時(shí)間取30 年，最大不平衡力設(shè)置為50 N、收斂精度設(shè)定為10-5，計(jì)算結(jié)果表明監(jiān)測點(diǎn)隨著計(jì)算時(shí)間增加趨于穩(wěn)定。根據(jù)潛江鹽巖和泥巖的力學(xué)試驗(yàn)及蠕變試驗(yàn)的結(jié)果，參考國內(nèi)外鹽巖的力學(xué)特性參數(shù)，最終確定計(jì)算參數(shù)，見表1。

表1 彈塑性和蠕變計(jì)算參數(shù)

2 變形量

當(dāng)鹽穴平均直徑為80 m，內(nèi)壓為17、20和32 MPa時(shí)，最大變形量分別為8.72、7.52 和1.54 m，約為平均直徑的10%左右，說明內(nèi)壓對鹽穴圍巖變形量影響較為顯著。通過對比直徑為70、80、85 和90 m 鹽穴圍巖變形量，發(fā)現(xiàn)最大變形均出現(xiàn)在腔體中間位置處，隨著鹽穴直徑的增加，最大變形量呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律。例如，內(nèi)壓為17 MPa、運(yùn)行時(shí)間為30年時(shí)，4 種直徑的鹽穴圍巖最大變形量差值不明顯，分別為9.63、8.72、10.13、11.21 m。綜合變形量以及腔體體積，建議王儲(chǔ)3腔體直徑增加到85～90 m，以增加有效單腔庫容。

3 塑性區(qū)

Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則作為巖土工程中最常用的破壞準(zhǔn)則之一，已經(jīng)在大量實(shí)際工程中得到應(yīng)用和驗(yàn)證。通過運(yùn)行時(shí)間為30 年、內(nèi)壓分別為17、20 和32 MPa 時(shí)，直徑為70、80、85 和90 m 條件下溶腔圍巖中塑性區(qū)分布云圖計(jì)算，可以看出在內(nèi)壓較低時(shí)，溶腔圍巖中的塑性區(qū)分布面積較大且主要集中在夾層附近；隨著內(nèi)壓的增加，塑性區(qū)面積逐漸減小，且在夾層位置處減少得較為顯著，圍巖中的塑性區(qū)分布面積變化不顯著。因此，從塑性區(qū)角度溶腔直徑可取為85～90 m，內(nèi)壓取17 MPa。

4 體積收縮率

由于鹽巖具有典型的蠕變特征，鹽穴儲(chǔ)氣庫在運(yùn)行過程中體積不斷降低，直接影響到鹽穴儲(chǔ)氣庫的安全性和經(jīng)濟(jì)性。法國Tersanne 鹽穴儲(chǔ)氣庫運(yùn)行10 年后容積減少了35%，美國Eminen 鹽穴儲(chǔ)氣庫建成運(yùn)行2 年后體積減少了40%。根據(jù)前人研究成果以及江漢盆地鹽巖地層特征，認(rèn)為鹽穴儲(chǔ)氣庫運(yùn)行30 年體積收縮率小于30%即可滿足安全性和經(jīng)濟(jì)性要求。

內(nèi)壓17 MPa、鹽穴直徑為70、80、85和90 m時(shí)，運(yùn)行30 年后溶腔體積收縮率分別為27.62%、27.13%、28.52%和29.95%，均能夠滿足體積收縮率控制要求。

5 等效應(yīng)變

由于鹽巖在發(fā)生蠕變變形破壞時(shí)表現(xiàn)出典型的延性金屬（例如銅和鐵）破壞特征，所以將等效應(yīng)變引入到不同直徑鹽穴儲(chǔ)氣庫圍巖破壞評價(jià)中。根據(jù)已有的研究成果可知，鹽穴儲(chǔ)氣庫運(yùn)行30 年等效應(yīng)變不宜超過3%，才能保證鹽穴圍巖不發(fā)生蠕變破壞。

從不同直徑條件下內(nèi)壓為17 MPa、運(yùn)行30 年時(shí)鹽穴圍巖中等效應(yīng)變分布圖（見圖1）可以看出：隨著直徑的增加，鹽穴圍巖的等效應(yīng)變呈現(xiàn)出逐漸下降并趨于穩(wěn)定的變化趨勢。例如，直徑為85 和90 m時(shí)，圍巖中等效應(yīng)變分布基本不再發(fā)生變化，高等效應(yīng)變區(qū)域主要出現(xiàn)在鹽巖與夾層交界面位置處，且等效應(yīng)變大于3%區(qū)域面積較小。從等效應(yīng)變角度出發(fā)，直徑為85～90 m時(shí)可以滿足安全運(yùn)行要求。

圖1 不同直徑溶腔圍巖塑性區(qū)分布

6 套管鞋高度

由于鹽巖具有很強(qiáng)的蠕變特性，為防止套管在運(yùn)行過程中承受較大的拉應(yīng)力而破壞，套管鞋應(yīng)具有一定的高度。根據(jù)石油鉆井工程的套管鋼材屈服強(qiáng)度一般都在600 MPa 以上，由鋼材彈性模量（210 GPa）計(jì)算，套管能承受的應(yīng)變變形約為0.3%，為保證一定的安全系數(shù)，以0.15%的應(yīng)變量來確定套管鞋高度。

從不同溶腔直徑條件下腔頂蠕變應(yīng)變與腔頂距離關(guān)系曲線（見圖2）可以看出：當(dāng)內(nèi)壓為17 MPa 時(shí)，溶腔直徑為70、80、85 和90 m 時(shí)，套管鞋高度分別為9、8、12 和14 m，所以當(dāng)腔體直徑為85～90 m 時(shí)，適當(dāng)考慮安全冗余度，建議套管鞋高度取為15 m左右。

圖2 腔頂蠕變應(yīng)變與腔頂距離關(guān)系曲線

7 極端條件下運(yùn)行壓力

極端條件運(yùn)行時(shí)間主要考慮的是鹽穴儲(chǔ)氣庫在運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)緊急情況。例如，應(yīng)對極端天氣下的用氣需求、檢修等，需要儲(chǔ)氣庫保持短時(shí)間的低壓運(yùn)行。結(jié)合江漢盆地鹽穴儲(chǔ)氣庫已有研究成果，初步擬定極端條件下王儲(chǔ)3井運(yùn)行壓力13 MPa、運(yùn)行時(shí)間7 d。從圖3、圖4可以看出：腔體直徑為90 m、內(nèi)壓為13 MPa、運(yùn)行5 d 時(shí)，溶腔圍巖中最大變形量為0.53 m，塑性區(qū)面積較小，并且主要零星分布在夾層附近，溶腔可以滿足安全要求；運(yùn)行5 d 后，溶腔體積收縮率開始加速，說明鹽巖進(jìn)入加速蠕變階段，可能會(huì)對溶腔造腔不可逆的破壞。因此，從體積收縮率角度分析，認(rèn)為極端條件下運(yùn)行壓力應(yīng)大于13 MPa，并且運(yùn)行時(shí)間應(yīng)小于5d。

圖3 溶腔圍巖變形量分布圖

圖4 溶腔圍巖塑性區(qū)分布圖

8 建議

為充分滿足江漢超深超大型鹽穴地下儲(chǔ)氣庫運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性及調(diào)峰需求，對王儲(chǔ)3 井腔體形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出以下建議：

（1）通過對直徑為70、80、85 和90 m 溶腔圍巖變形量、塑性區(qū)、體積收縮率和套管鞋高度等進(jìn)行計(jì)算，建議王儲(chǔ)3 井在第12 夾層垮塌后溶腔直徑可以增加到85～90 m、最低運(yùn)行壓力為17 MPa、套管鞋高度為12～15 m。

（2）極限條件下溶腔最低運(yùn)行壓力可以降低到13 MPa，在該壓力條件下運(yùn)行時(shí)間不超過5 d。