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)

江漢盆地黃場地區(qū)鹽巖十分發(fā)育，具有分布面積廣、鹽層厚度大、埋深大（2 000 m）、溫度高（83℃）、壓力高（地層壓力46 MPa）等特點。鹽穴地下儲氣庫的建設(shè)是一項復雜的工程技術(shù)，有關(guān)鹽巖利用的研究主要集中在巖鹽溶解、溶腔垮塌、溶腔蠕變、鹽巖滲透、溶腔內(nèi)外的溫度場和壓力場分析等方面[1-12]。鹽穴地下儲氣庫的長期連續(xù)注采運行過程中，腔體受到壓力差的影響，可能出現(xiàn)天然氣滲漏現(xiàn)象，會對儲氣庫的穩(wěn)定運行產(chǎn)生危害。因此，針對江漢盆地黃場鹽穴儲氣庫開展穩(wěn)定性分析，為同類型鹽穴地下儲氣庫經(jīng)濟、穩(wěn)定運行提供參考。

1 地質(zhì)特征

黃場地區(qū)處于江漢盆地潛江凹陷北部，黃場向斜中心部位。工區(qū)構(gòu)造簡單，地層平緩，傾角1～3°。東部構(gòu)造為黃場鼻狀斜坡帶，西部為王場背斜，工區(qū)無斷層，裂隙不發(fā)育。黃場地區(qū)潛二段由25 個含鹽韻律層組成，鹽層埋深1 600～1 900 m，單個鹽層厚度7.5～33.5 m，鹽層累計厚度約400～600 m，含礦率76.8%，具有鹽巖厚度大，含礦率高的特點[13]。

黃場鹽穴地下儲氣庫以第10～16 韻律鹽層作為建腔目的層，上覆潛二段1～9韻律地層厚度167 m，其中鹽層厚度126.0 m。鹽層頂板為鹽層與鹽間層互層沉積，鹽層由石鹽巖、無水芒硝巖，少量鈣芒硝巖夾薄層泥巖組成。鹽間層以泥云巖、含鈣芒硝泥巖、鈣芒硝質(zhì)泥巖為主，巖性致密堅硬，這些鹽韻律層對溶腔將起到很好的封閉作用。

2 滲透率

鹽穴儲氣庫所處的地下鹽巖層的滲透性一般非常小，但是，由于所處地層都或多或少的含有夾層，所以鹽穴儲氣庫運行過程中可能出現(xiàn)天然氣泄露。曹琳[14]建立了鹽穴儲氣庫溶腔滲流模型，模擬了鹽穴儲氣庫地下鹽巖溶腔內(nèi)天然氣向儲氣庫蓋層及周圍夾層的擴散和滲漏情況，分析認為當儲氣庫周圍地層滲透率小于10-20m2時，可忽略氣體的滲漏；當?shù)貙訚B透率大于2×10-18m2時，必須考慮氣體滲漏對儲氣庫運行過程的影響；當?shù)貙訚B透率在（2×10-18～10-20）m2之間時，天然氣的滲漏應(yīng)視溶腔內(nèi)壓力高于周圍地層壓力的壓差及運行時間而定。

王儲1井巖心掃描電鏡實驗顯示：巖鹽微觀結(jié)構(gòu)致密，密封性好，泥巖粒徑1～5 μm，粒間孔隙10～100 m，孔隙度集中在10 %以內(nèi)，滲透率在（10-18～10-20）m2，結(jié)合鹽穴儲氣庫溶腔滲流模型，分析認為溶腔內(nèi)壓力影響天然氣的滲漏，有必要對溶腔內(nèi)壓進行優(yōu)化。

3 運行壓力

隨著鹽穴儲氣庫的長期連續(xù)注采運行，地下鹽巖溶腔內(nèi)的天然氣壓力不斷升高或降低，受到溶腔內(nèi)與周圍地層壓差作用，可能影響著鹽穴儲氣庫的安全運行。

從江漢盆地王58儲氣庫蠕變試驗（見圖1）可以看出，內(nèi)壓分別為11 MPa、14 MPa、17 MPa、20 MPa、23 MPa、26 MPa、29 MPa、32 MPa條件下流變30 年的腔周的最大位移分別為16.32 m、11.00 m、5.45 m、4.30 m、2.75 m、1.40 m、1.02 m、0.55 m。內(nèi)壓越高，腔體的體積收縮率就越小，且內(nèi)壓對蠕變的影響較大。當內(nèi)壓為17 MPa 時，運行30 年體積收縮率為28.52 %，與30 %的臨界安全值較為接近。在考慮滿足長期蠕變需要以及一定安全裕度時，認為儲庫最低運行壓力應(yīng)大于17 MPa。

圖1 腔體長期蠕變變形預測圖

通過水密性實驗、氣密性試驗結(jié)合壓力梯度等多種方法來評價最高運行壓力。江漢盆地王58 井區(qū)潛二段第101韻律鹽層頂埋深約1 850 m，根據(jù)最大壓力梯度經(jīng)驗值0.017 MPa/m，確定儲氣庫最高運行壓力為31.45 MPa。開展水密性實驗，結(jié)果顯示腔體部位最高壓力為40.5 MPa；開展王儲6 井氣密性實驗，顯示壓力小于35.2 MPa 時，氣密性較好。為保證儲氣庫安全運行，建議儲氣庫最高運行壓力應(yīng)小于31.45 MPa。

4 腔體直徑

考慮腔體的穩(wěn)定性、造腔工藝難易程度和注采氣工藝復雜程度，黃場儲氣庫采用單井對流法單井單腔建腔。儲氣庫運行的經(jīng)濟性主要由最大允許的溶腔尺寸所決定，同時鹽巖的蠕變收縮現(xiàn)象導致鹽巖溶腔體積的穩(wěn)定減少。從圖2可以看出，隨著腔體直徑的增加，腔體體積收縮率變化不顯著。例如，內(nèi)壓為17 MPa、腔穴直徑分別為70 m、80 m、85 m、90 m時，運行30年后溶腔體積收縮率分別為27.62 %、27.13 %、28.52 %、30.15 %，這四種直徑的腔穴均能夠滿足體積收縮率控制要求。但是，內(nèi)壓對體積收縮率影響較為顯著。例如，直徑為85 m、運行30年時，內(nèi)壓為17 MPa和32 MPa對應(yīng)的體積收縮率分別為28.52%和4.06%。因此，從體積收縮率角度建議腔體直徑85～90 m。

圖2 不同直徑條件下鹽穴體積收縮率與時間關(guān)系曲線

5 安全礦柱

地下鹽巖溶腔具有蠕變特性，儲氣庫注采循環(huán)運行中壓力溫度的變化會增加鹽巖蠕變的應(yīng)變率，而鹽巖的蠕變會直接導致溶腔體積的收斂，這對天然氣的地下儲存十分不利。兩個溶腔不連通的最安全距離一般由溶腔最大直徑、鉆孔最大偏離距和最小安全礦柱三部分組成。設(shè)計溶腔最大直徑85 m，最小安全礦柱按國內(nèi)外普遍采用的2倍左右范圍選取。因此，選定兩溶腔中心距為300 m，進行靜力分析和流變分析，以便確定安全礦柱的寬度。

靜力分析結(jié)果顯示，在運行壓力為17 MPa 時，和單個溶腔的結(jié)果相比，破損區(qū)只是略微擴大。流變20年最大位移為5.50 m，相對單個腔體最大位移為5.45 m 略微增大，兩溶腔沒有連通，塑性區(qū)范圍大概為腔體直徑的1倍。因此，建議安全礦柱的寬度為溶腔直徑的2倍左右。

6 結(jié)論

江漢盆地黃場地區(qū)鹽層分布穩(wěn)定、厚度大、品質(zhì)好，為充分滿足鹽穴地下儲氣庫運行安全性、穩(wěn)定性及調(diào)峰需求，提出以下幾點建議：

（1）為保證鹽穴地下儲氣庫安全性、經(jīng)濟性，建議合理地安排運行壓力為17～32 MPa，防止出現(xiàn)壓力大幅波動。

（2）隨著鹽穴直徑的增加，鹽穴體積收縮率變化不顯著，但是內(nèi)壓對體積收縮率影響較為顯著，從體積收縮率角度考慮，建議腔體直徑為85～90 m。

（3）當溶腔直徑85 m時，根據(jù)靜力分析和流變分析，建議安全礦柱的寬度為溶腔直徑的2倍左右。