小井间距双井溶腔长期稳定性研究

易 亮 邓清芮

(1. 重庆市市政设计研究院， 重庆 400020； 2. 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室， 重庆 400044；3. 重庆电子工程职业学院， 重庆 401331)

小井间距双井溶腔长期稳定性研究

易 亮1,2邓清芮3

(1. 重庆市市政设计研究院， 重庆 400020； 2. 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室， 重庆 400044；3. 重庆电子工程职业学院， 重庆 401331)

小井间距双井水溶造腔技术是一种较为新颖的盐穴储气库建造方法，其溶腔形状与单井有较大区别。基于数值分析的方法，对小井间距双井水溶造腔技术下的溶腔长期稳定性进行研究。研究结果表明：运行30 a后的腔体体积收缩率、腔顶沉降量以及塑性区体积都在安全范围之内，小井间距双井溶腔可用作地下储气库。在内压周期性变化条件下，相同时间内其周期数量越多，则腔体低压连续运行的时间越短，腔体的体积收缩率、腔顶的沉降量越小。

盐穴； 储气库； 小井间距双井； 数值模拟； 稳定性

盐岩具有低渗透性、低孔隙度、可水溶开采等优良特性，被国际公认为能源储存的最佳介质[1-3]。按目前天然气储气库工作气量占总消费量平均水平10%～15%的比例计算，中国在未来十年内，将需要建设工作气量(250～375)×108m3的地下储气库，所需建设的地下储气库将达到40～50座[4]。盐穴储库通常采用单井油垫法进行建造，该方法较为成熟且能很好的控制腔体形状，但单井水溶造腔法有其自身的不足，一是造腔速度慢(一般而言，采用单井水溶技术造腔需要3～5 a)；二是对夹层的处理并不理想[5-6]。为此有学者提出采用小井间距双井水溶法进行溶腔的建造[7-8]，该方法形成的腔体形状与单井水溶法有较大的区别，其腔体长期稳定性并不可知。为此，此次研究以现场地质条件为背景，以室内模型试验形成的腔体形状为依据，对小井间距双井水溶造腔技术下形成溶腔的长期稳定性进行系统研究，为小井间距双井水溶造腔技术在我国的实施提供参考。

1 小井间距双井水溶造腔技术

小井间距双井水溶造腔实施的基本过程为：通过2个竖井(相距20 m左右)将地下盐层与地面连通，采用水平井钻井技术(水力压裂连通法存在深部连通方向性差、井组间易窜槽、地层充水普遍及后期成功率低等问题，而双井水平对接水溶法可避免这些问题，同时确保腔体围岩的完整性和密闭性)将2个竖井的底端相连，在2个竖井中分别插入生产套管及造腔套管，注入保护液，然后将淡水或非饱和卤水从其中一口井注入，高浓度卤水从另外一口井流出，适时交替调整进水及出水的位置，分步提升造腔套管及油垫层高度，并补充保护液的量，最终获得满足油气储库要求的溶腔形状。

单井及小井间距双井溶腔形状如图1所示。单井水溶造腔技术下的溶腔纵切面为梨形，腔体顶部为近似拱形的穹状结构，溶腔横截面为圆形；而小井间距双井水溶技术形成的腔体在腔顶形成了具有一定跨距的平台结构，且溶腔的横截面为椭圆形。

2 计算模型及参数

2.1计算模型

我国某拟建盐穴储气库顶板埋深为970 m，在顶部预留30 m盐层后，腔顶埋深为1 000 m；储气库底板埋深为1 140 m，在底部预留20 m盐层后，腔底埋深为1 120 m；单腔高度为120 m，腔体上部为椭圆台体，下部为碗状体。上部高度为84 m，下部高度为36 m，储气库腔体形状如图2所示。由于是采用小井间距双井水溶造腔，所以腔体的横截面为椭圆形，长短轴之比视具体的造腔参数而定。我国盐岩矿床中不溶物含量较多，一般不溶物含量占腔体高度的1/3～1/2。在本次模拟中，设定残渣的高度为40 m，有效体积高度为80 m。以腔体最大直径35 m为例，长短轴之比为35 ∶30，此时腔体的总体积为28.6×104m3，有效体积为19.5×104m3。

图1 单井及小井间距双井溶腔形状

图2 储气库腔体形状

基于工程地质条件，建立了三维分析模型，计算区域设定为一立方体。纵剖面包括170 m厚盐岩层及夹层，盐岩层上部为210 m厚的泥岩层，盐岩层下部为220 m厚的泥岩层，计算剖面厚度共计为 600 m，底面积为480 m×240 m。图3为盐穴储气库数值模拟计算模型。模型坐标系原点选在腔体上部区域与下部区域分界线的中心位置，水平面为XY坐标系平面，竖直面为坐标系Z轴方向。上覆岩层的重量简化为立方体模型的上表面的荷载，根据地层实际厚度及地层平均密度计算等效荷载为17.5 MPa，立方体下表面用Z向简支约束，四纵表面受垂直于表面的法向简支约束。

图3 盐穴储气库数值模拟计算模型

2.2.1 静力稳定性计算参数

静力稳定性计算不需考虑蠕变的影响，因此对顶底板泥岩、盐岩、夹层等岩层均采用Mohr-Coulomb模型。根据盐岩单轴、三轴实验结果，并参考部分国外盐岩储气库的资料，其静力计算参数如表1所示。

表1 静力计算参数

2.2.2 长期流变计算参数

采用和静力分析一样的计算模型，对盐岩溶腔进行长期流变分析。对于顶底板泥岩以及腔体沉渣选用Mohr-Coulomb模型，盐岩和泥岩夹层采用Norton幂指数模型。其中，Norton幂指数模型的标准形式为：

(1)

A—— 材料特性参数；

n—— 应力指数常数；

根据金坛盐矿流变实验结果，参考国外储气库计算所采用的参数及国内部分深层钻井盐膏岩反演计算的盐岩流变参数，确定盐岩和夹层岩石的流变参数如下：

盐岩A=6×10-6MPa-3.5t

夹层A=1.0×10-6MPa-3.5t

式中：t——时间，a。

2.3模拟参数

2.3.1 腔形模拟参数

小井间距双井水溶造腔工艺下的溶腔横截面为椭圆形，在不同的造腔参数下，比如井间距、每一造腔阶段的溶蚀时间等，会使椭圆的长轴与短轴的比值出现差异。为此研究不同的横截面形状对溶腔流变特性的影响，设置了几组不同的横截面形状，长轴与短轴之比分别为1.17、1.40、1.75、2.00。同时建立了一组单井水溶造腔的腔体模型，此时长轴与短轴之比为1，五组模型的溶腔高度完全一致，腔体有效体积为19.5×104m3，溶腔内压为平均压力 12 MPa。图4为5种不同长短轴比的腔体形状。

图4 5种不同长短轴比的腔体形状

2.3.2 周期性内压模拟参数

对储气库腔体进行内压周期性变化的数值模拟，模拟4种工况，储气库内压变化分别以365、182、120、22 d为一周期，4种工况下的溶腔尺寸完全相同，溶腔的长短轴之比为35 ∶30，盐穴储气库运行应力变化曲线见图5。

3 数值模拟结果

3.1不同腔体形状下的溶腔流变规律

3.1.1 腔体收缩率变化规律

在相同的总体积以及有效体积下，5种不同腔形溶腔的腔体体积收缩率变化规律如图6所示。可以看出，不同长短轴比下的腔体体积收缩率变化不大，只有小幅度的上升。30 a的流变时间下，单井的腔体收缩率为12.5%，而长短轴比为2的腔体的体积收缩率为14.2%，增长幅度为13.6%，后者的腔体收缩率仍然在控制范围之内，说明小井间距双井水溶技术形成的腔体是稳定的。

3.1.2 腔顶沉降量变化规律

不同腔形下腔顶中心位置的沉降量如图7所示。在不同腔形下，腔顶均出现了沉降，30 a的沉降量在1 m左右，腔体长短轴比不同，但腔顶的沉降量几乎没有变化，说明小井间距双井水溶造腔形成的平顶式腔顶依然具有较好的稳定性。

3.1.3 腔体塑性区体积变化规律

盐穴储气库塑性区体积与盐穴体积比值随腔形的变化规律见图8。可以看出，腔体横截面长短轴的改变对盐穴塑性区体积影响较小，这种影响在溶腔运行过程中基本可以忽略，说明小井间距双井水溶造腔形成的腔体能够满足储气的安全要求。

3.2压力周期性变化流变规律

3.2.1 腔体收缩率变化规律

不同工况下腔体体积收缩率与流变时间的关系见图9。可以看出，腔体体积收缩率随流变时间呈周期性变化，但整体趋势是一直在增大。4种工况总的低压维持以及高压存储的时间是一样的，但4种工况下的曲线却并非一致，工况1的腔体体积收缩率要明显大于工况2、3、4，这是由于工况1低压持续维持的时间要大于后3种工况。因此，为了延长盐穴的服务年限，在相同低压维持的时间下，可以增加周期数，将低压运行的时间分成多个时间段。

图5 盐穴储气库运行压力变化曲线

图6 不同腔形的腔体体积收缩率

图7 不同腔形的腔顶沉降量

图8 盐穴储气库塑性区体积与盐穴体积比值随腔形的变化规律

图9 不同工况下腔体体积收缩率与流变时间的关系

3.2.2 腔顶沉降量变化规律

4种工况下腔顶的沉降量与流变时间的关系见图10。30 a后4种工况下腔顶的最大沉降量分别为1.26、1.14、0.98、0.84 m，呈一个递减的趋势，说明增加运行的周期数有利于抑制腔顶的沉降。

图10 不同工况下腔顶沉降量与流变时间的关系

3.2.3 塑性区体积分布规律

溶腔在不同工况下流变30 a的塑性区分布见图11。4种工况下溶腔塑性区分布规律相近，都是在腔顶、夹层周围以及腔底沉渣处的围岩出现剪切破坏，且塑性区体积占腔体体积的比例在17%左右。说明改变溶腔内压的循环周期数对塑形区分布以及塑形区体积没有太大的影响。

图11 溶腔在不同工况下流变30 a的塑性区分布

4 结 语

以室内模型试验的腔体形状为依据，利用Flac3D软件，分析了不同腔形、不同循环周期数对储气库长期运行稳定性的影响，主要结论如下：

(1) 小井间距双井溶腔储气库运行30 a后，其腔体体积收缩率、腔顶沉降量以及塑性区体积3个指标在安全范围之内，可知小井间距双井溶腔具有较好的长期稳定性。

(2) 在内压周期性变化条件下，增加单位时间的循环周期数对腔体稳定性参数有较大的影响，单位时间的周期数越多，低压连续运行的时间越短，腔体的体积收缩率、腔顶的沉降量越小。

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Abstract:Double-well solution mining with small interwell distance is a new salt cavern construction technology, and the shape of the cavity is different from that of the single well. Based on numerical analysis method, the long-term stability of cavern constructed by double-well solution mining with small interwell distance was studied in this paper. The results show that: the shrinking percentage of cavern volume, settlement of roof and plastic zone were within safety limits after 30 years of operation, so the salt cavern managed by the new solution mining technology was applicable for underground gas storage. Under the condition that the internal pressure of cavern was periodically changeable, the more number of cycles at the same time, the shorter of continuous running time at low pressure, the smaller of shrinking percentage of cavern volume and settlement of roof.

Keywords:salt cavern; gas storage; slim spacing double well; numerical simulation; stability

ResearchonLong-TermStabilityofCavernwithSlimSpacingDouble-WellSolutionMiningTechnology

YI Liang1,2DENG Qingrui3

(1.Chongqing Municipal Design and Research Institute, Chongqing 400020, China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China;3.Chongqing College of Electronic Engineering, Chongqing 401331, China)

TE822

A

1673-1980(2017)05-0025-05

2017-07-06

国家自然科学基金项目“薄盐层双井水平对接水溶造腔机理及调控基础研究”(41672292)

易亮(1989 — )，男，博士，工程师，研究方向为地下工程及安全工程。