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)致運行壓力過高或者過低時，容易引起腔體坍塌。江漢王儲3 儲氣庫潛二段第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)建造儲氣庫時，當(dāng)儲氣庫尺寸和高徑比等參數(shù)變化較大時，會影響到儲氣庫長期安全、穩(wěn)定運行。

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，得到了鹽丘型儲庫的最優(yōu)腔體設(shè)計參數(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氣庫的穩(wěn)定性及長期安全、經(jīng)濟(jì)運行產(chǎn)生不利影響，依據(jù)江漢盆地王儲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，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)鹽穴儲氣庫設(shè)計規(guī)范[14]，在數(shù)值模擬計算鹽穴運行時間取30 年，最大不平衡力設(shè)置為50 N、收斂精度設(shè)定為10-5，計算結(jié)果表明監(jiān)測點隨著計算時間增加趨于穩(wěn)定。根據(jù)潛江鹽巖和泥巖的力學(xué)試驗及蠕變試驗的結(jié)果，參考國內(nèi)外鹽巖的力學(xué)特性參數(shù)，最終確定計算參數(shù)，見表1。

表1 彈塑性和蠕變計算參數(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，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、運行時間為30年時，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)在大量實際工程中得到應(yīng)用和驗證。通過運行時間為30 年、內(nèi)壓分別為17、20 和32 MPa 時，直徑為70、80、85 和90 m 條件下溶腔圍巖中塑性區(qū)分布云圖計算，可以看出在內(nèi)壓較低時，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，鹽穴儲氣庫在運行過程中體積不斷降低，直接影響到鹽穴儲氣庫的安全性和經(jīng)濟(jì)性。法國Tersanne 鹽穴儲氣庫運行10 年后容積減少了35%，美國Eminen 鹽穴儲氣庫建成運行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)為鹽穴儲氣庫運行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，運行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氣庫圍巖破壞評價中。根據(jù)已有的研究成果可知，鹽穴儲氣庫運行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、運行30 年時鹽穴圍巖中等效應(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，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時可以滿足安全運行要求。

圖1 不同直徑溶腔圍巖塑性區(qū)分布

6 套管鞋高度

由于鹽巖具有很強的蠕變特性，為防止套管在運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度一般都在600 MPa 以上，由鋼材彈性模量（210 GPa）計算，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，溶腔直徑為70、80、85 和90 m 時，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，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 極端條件下運行壓力

極端條件運行時間主要考慮的是鹽穴儲氣庫在運行過程中可能會出現(xiàn)緊急情況。例如，應(yīng)對極端天氣下的用氣需求、檢修等，需要儲氣庫保持短時間的低壓運行。結(jié)合江漢盆地鹽穴儲氣庫已有研究成果，初步擬定極端條件下王儲3井運行壓力13 MPa、運行時間7 d。從圖3、圖4可以看出：腔體直徑為90 m、內(nèi)壓為13 MPa、運行5 d 時，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)為極端條件下運行壓力應(yīng)大于13 MPa，并且運行時間應(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氣庫運行安全性、穩(wěn)定性及調(diào)峰需求，對王儲3 井腔體形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，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)行計算，建議王儲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行壓力可以降低到13 MPa，在該壓力條件下運行時間不超過5 d。