江汉超深超大型盐穴洞形优化研究

2021-04-06付晓飞

山西大同大学学报(自然科学版) 2021年1期

付晓飞

(中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院，湖北武汉 430223)

潜江凹陷潜二段主要发育盐岩，盐层间发育泥岩隔夹层，导致运行压力过高或者过低时，容易引起腔体坍塌。江汉王储3 储气库潜二段第12 夹层厚7 m，通过造腔过程中的工艺控制，实现了顺利垮塌，使造腔地层厚度由105 m增加到195 m。

在非均质的层状盐岩矿床内建造储气库时，当储气库尺寸和高径比等参数变化较大时，会影响到储气库长期安全、稳定运行。

20 世纪60 年代，国外学者[1-4]分析了盐穴尺寸、埋深、顶底板厚度和力学参数对盐穴的影响，得到了盐丘型储库的最优腔体设计参数。目前，国内学者李建中、邱贤德、刘新荣等[5-12]提出了难溶夹层垮塌控制技术，但江汉盆地黄场盐穴地下储气库的盐层性质、岩盐埋深、腔体形态与规模和已建成的盐穴储气库存在一定的地质差异，为避免因采用不合理的腔体形状对储气库的稳定性及长期安全、经济运行产生不利影响，依据江汉盆地王储3 井腔体资料[13]，对超深超大型盐穴洞形优化进行了研究。

1 腔体尺寸优化

首先对腔体形状和尺寸进行造腔设计，得到腔体形状和尺寸，然后分别建立了腔体直径为70、80、85 和90 m 条件下的三维地质力学计算模型。由于盐岩具有流变性特征，认为盐岩地层中初始地应力分布满足静水压力分布，即地应力场采用三向等压自重应力场。溶腔内部施加天然气内压，分别取为17、20、23、26、29 和32 MPa。根据盐穴储气库设计规范[14]，在数值模拟计算盐穴运行时间取30 年，最大不平衡力设置为50 N、收敛精度设定为10-5，计算结果表明监测点随着计算时间增加趋于稳定。根据潜江盐岩和泥岩的力学试验及蠕变试验的结果，参考国内外盐岩的力学特性参数，最终确定计算参数，见表1。

表1 弹塑性和蠕变计算参数

2 变形量

当盐穴平均直径为80 m，内压为17、20和32 MPa时，最大变形量分别为8.72、7.52 和1.54 m，约为平均直径的10%左右，说明内压对盐穴围岩变形量影响较为显著。通过对比直径为70、80、85 和90 m 盐穴围岩变形量，发现最大变形均出现在腔体中间位置处，随着盐穴直径的增加，最大变形量呈现先增加后减小的变化规律。例如，内压为17 MPa、运行时间为30年时，4 种直径的盐穴围岩最大变形量差值不明显，分别为9.63、8.72、10.13、11.21 m。综合变形量以及腔体体积，建议王储3腔体直径增加到85～90 m，以增加有效单腔库容。

3 塑性区

Mohr-Coulomb 准则作为岩土工程中最常用的破坏准则之一，已经在大量实际工程中得到应用和验证。通过运行时间为30 年、内压分别为17、20 和32 MPa 时，直径为70、80、85 和90 m 条件下溶腔围岩中塑性区分布云图计算，可以看出在内压较低时，溶腔围岩中的塑性区分布面积较大且主要集中在夹层附近；随着内压的增加，塑性区面积逐渐减小，且在夹层位置处减少得较为显著，围岩中的塑性区分布面积变化不显著。因此，从塑性区角度溶腔直径可取为85～90 m，内压取17 MPa。

4 体积收缩率

由于盐岩具有典型的蠕变特征，盐穴储气库在运行过程中体积不断降低，直接影响到盐穴储气库的安全性和经济性。法国Tersanne 盐穴储气库运行10 年后容积减少了35%，美国Eminen 盐穴储气库建成运行2 年后体积减少了40%。根据前人研究成果以及江汉盆地盐岩地层特征，认为盐穴储气库运行30 年体积收缩率小于30%即可满足安全性和经济性要求。

内压17 MPa、盐穴直径为70、80、85和90 m时，运行30 年后溶腔体积收缩率分别为27.62%、27.13%、28.52%和29.95%，均能够满足体积收缩率控制要求。

5 等效应变

由于盐岩在发生蠕变变形破坏时表现出典型的延性金属（例如铜和铁）破坏特征，所以将等效应变引入到不同直径盐穴储气库围岩破坏评价中。根据已有的研究成果可知，盐穴储气库运行30 年等效应变不宜超过3%，才能保证盐穴围岩不发生蠕变破坏。

从不同直径条件下内压为17 MPa、运行30 年时盐穴围岩中等效应变分布图（见图1）可以看出：随着直径的增加，盐穴围岩的等效应变呈现出逐渐下降并趋于稳定的变化趋势。例如，直径为85 和90 m时，围岩中等效应变分布基本不再发生变化，高等效应变区域主要出现在盐岩与夹层交界面位置处，且等效应变大于3%区域面积较小。从等效应变角度出发，直径为85～90 m时可以满足安全运行要求。

图1 不同直径溶腔围岩塑性区分布

6 套管鞋高度

由于盐岩具有很强的蠕变特性，为防止套管在运行过程中承受较大的拉应力而破坏，套管鞋应具有一定的高度。根据石油钻井工程的套管钢材屈服强度一般都在600 MPa 以上，由钢材弹性模量（210 GPa）计算，套管能承受的应变变形约为0.3%，为保证一定的安全系数，以0.15%的应变量来确定套管鞋高度。

从不同溶腔直径条件下腔顶蠕变应变与腔顶距离关系曲线（见图2）可以看出：当内压为17 MPa 时，溶腔直径为70、80、85 和90 m 时，套管鞋高度分别为9、8、12 和14 m，所以当腔体直径为85～90 m 时，适当考虑安全冗余度，建议套管鞋高度取为15 m左右。

图2 腔顶蠕变应变与腔顶距离关系曲线

7 极端条件下运行压力

极端条件运行时间主要考虑的是盐穴储气库在运行过程中可能会出现紧急情况。例如，应对极端天气下的用气需求、检修等，需要储气库保持短时间的低压运行。结合江汉盆地盐穴储气库已有研究成果，初步拟定极端条件下王储3井运行压力13 MPa、运行时间7 d。从图3、图4可以看出：腔体直径为90 m、内压为13 MPa、运行5 d 时，溶腔围岩中最大变形量为0.53 m，塑性区面积较小，并且主要零星分布在夹层附近，溶腔可以满足安全要求；运行5 d 后，溶腔体积收缩率开始加速，说明盐岩进入加速蠕变阶段，可能会对溶腔造腔不可逆的破坏。因此，从体积收缩率角度分析，认为极端条件下运行压力应大于13 MPa，并且运行时间应小于5d。