小井間距雙井溶腔長期穩(wěn)定性研究

易 亮 鄧清芮

(1. 重慶市市政設(shè)計(jì)研究院， 重慶 400020； 2. 重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044；3. 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院， 重慶 401331)

小井間距雙井溶腔長期穩(wěn)定性研究

易 亮1,2鄧清芮3

(1. 重慶市市政設(shè)計(jì)研究院， 重慶 400020； 2. 重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044；3. 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院， 重慶 401331)

小井間距雙井水溶造腔技術(shù)是一種較為新穎的鹽穴儲氣庫建造方法，其溶腔形狀與單井有較大區(qū)別?；跀?shù)值分析的方法，對小井間距雙井水溶造腔技術(shù)下的溶腔長期穩(wěn)定性進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：運(yùn)行30 a后的腔體體積收縮率、腔頂沉降量以及塑性區(qū)體積都在安全范圍之內(nèi)，小井間距雙井溶腔可用作地下儲氣庫。在內(nèi)壓周期性變化條件下，相同時(shí)間內(nèi)其周期數(shù)量越多，則腔體低壓連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間越短，腔體的體積收縮率、腔頂?shù)某两盗吭叫　?/p>

鹽穴； 儲氣庫； 小井間距雙井； 數(shù)值模擬； 穩(wěn)定性

鹽巖具有低滲透性、低孔隙度、可水溶開采等優(yōu)良特性，被國際公認(rèn)為能源儲存的最佳介質(zhì)[1-3]。按目前天然氣儲氣庫工作氣量占總消費(fèi)量平均水平10%～15%的比例計(jì)算，中國在未來十年內(nèi)，將需要建設(shè)工作氣量(250～375)×108m3的地下儲氣庫，所需建設(shè)的地下儲氣庫將達(dá)到40～50座[4]。鹽穴儲庫通常采用單井油墊法進(jìn)行建造，該方法較為成熟且能很好的控制腔體形狀，但單井水溶造腔法有其自身的不足，一是造腔速度慢(一般而言，采用單井水溶技術(shù)造腔需要3～5 a)；二是對夾層的處理并不理想[5-6]。為此有學(xué)者提出采用小井間距雙井水溶法進(jìn)行溶腔的建造[7-8]，該方法形成的腔體形狀與單井水溶法有較大的區(qū)別，其腔體長期穩(wěn)定性并不可知。為此，此次研究以現(xiàn)場地質(zhì)條件為背景，以室內(nèi)模型試驗(yàn)形成的腔體形狀為依據(jù)，對小井間距雙井水溶造腔技術(shù)下形成溶腔的長期穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)研究，為小井間距雙井水溶造腔技術(shù)在我國的實(shí)施提供參考。

1 小井間距雙井水溶造腔技術(shù)

小井間距雙井水溶造腔實(shí)施的基本過程為：通過2個(gè)豎井(相距20 m左右)將地下鹽層與地面連通，采用水平井鉆井技術(shù)(水力壓裂連通法存在深部連通方向性差、井組間易竄槽、地層充水普遍及后期成功率低等問題，而雙井水平對接水溶法可避免這些問題，同時(shí)確保腔體圍巖的完整性和密閉性)將2個(gè)豎井的底端相連，在2個(gè)豎井中分別插入生產(chǎn)套管及造腔套管，注入保護(hù)液，然后將淡水或非飽和鹵水從其中一口井注入，高濃度鹵水從另外一口井流出，適時(shí)交替調(diào)整進(jìn)水及出水的位置，分步提升造腔套管及油墊層高度，并補(bǔ)充保護(hù)液的量，最終獲得滿足油氣儲庫要求的溶腔形狀。

單井及小井間距雙井溶腔形狀如圖1所示。單井水溶造腔技術(shù)下的溶腔縱切面為梨形，腔體頂部為近似拱形的穹狀結(jié)構(gòu)，溶腔橫截面為圓形；而小井間距雙井水溶技術(shù)形成的腔體在腔頂形成了具有一定跨距的平臺結(jié)構(gòu)，且溶腔的橫截面為橢圓形。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1計(jì)算模型

我國某擬建鹽穴儲氣庫頂板埋深為970 m，在頂部預(yù)留30 m鹽層后，腔頂埋深為1 000 m；儲氣庫底板埋深為1 140 m，在底部預(yù)留20 m鹽層后，腔底埋深為1 120 m；單腔高度為120 m，腔體上部為橢圓臺體，下部為碗狀體。上部高度為84 m，下部高度為36 m，儲氣庫腔體形狀如圖2所示。由于是采用小井間距雙井水溶造腔，所以腔體的橫截面為橢圓形，長短軸之比視具體的造腔參數(shù)而定。我國鹽巖礦床中不溶物含量較多，一般不溶物含量占腔體高度的1/3～1/2。在本次模擬中，設(shè)定殘?jiān)母叨葹?0 m，有效體積高度為80 m。以腔體最大直徑35 m為例，長短軸之比為35 ∶30，此時(shí)腔體的總體積為28.6×104m3，有效體積為19.5×104m3。

圖1 單井及小井間距雙井溶腔形狀

圖2 儲氣庫腔體形狀

基于工程地質(zhì)條件，建立了三維分析模型，計(jì)算區(qū)域設(shè)定為一立方體?？v剖面包括170 m厚鹽巖層及夾層，鹽巖層上部為210 m厚的泥巖層，鹽巖層下部為220 m厚的泥巖層，計(jì)算剖面厚度共計(jì)為 600 m，底面積為480 m×240 m。圖3為鹽穴儲氣庫數(shù)值模擬計(jì)算模型。模型坐標(biāo)系原點(diǎn)選在腔體上部區(qū)域與下部區(qū)域分界線的中心位置，水平面為XY坐標(biāo)系平面，豎直面為坐標(biāo)系Z軸方向。上覆巖層的重量簡化為立方體模型的上表面的荷載，根據(jù)地層實(shí)際厚度及地層平均密度計(jì)算等效荷載為17.5 MPa，立方體下表面用Z向簡支約束，四縱表面受垂直于表面的法向簡支約束。

圖3 鹽穴儲氣庫數(shù)值模擬計(jì)算模型

2.2.1 靜力穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

靜力穩(wěn)定性計(jì)算不需考慮蠕變的影響，因此對頂?shù)装迥鄮r、鹽巖、夾層等巖層均采用Mohr-Coulomb模型。根據(jù)鹽巖單軸、三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并參考部分國外鹽巖儲氣庫的資料，其靜力計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 靜力計(jì)算參數(shù)

2.2.2 長期流變計(jì)算參數(shù)

采用和靜力分析一樣的計(jì)算模型，對鹽巖溶腔進(jìn)行長期流變分析。對于頂?shù)装迥鄮r以及腔體沉渣選用Mohr-Coulomb模型，鹽巖和泥巖夾層采用Norton冪指數(shù)模型。其中，Norton冪指數(shù)模型的標(biāo)準(zhǔn)形式為：

(1)

A—— 材料特性參數(shù)；

n—— 應(yīng)力指數(shù)常數(shù)；

根據(jù)金壇鹽礦流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果，參考國外儲氣庫計(jì)算所采用的參數(shù)及國內(nèi)部分深層鉆井鹽膏巖反演計(jì)算的鹽巖流變參數(shù)，確定鹽巖和夾層巖石的流變參數(shù)如下：

鹽巖A=6×10-6MPa-3.5t

夾層A=1.0×10-6MPa-3.5t

式中：t——時(shí)間，a。

2.3模擬參數(shù)

2.3.1 腔形模擬參數(shù)

小井間距雙井水溶造腔工藝下的溶腔橫截面為橢圓形，在不同的造腔參數(shù)下，比如井間距、每一造腔階段的溶蝕時(shí)間等，會使橢圓的長軸與短軸的比值出現(xiàn)差異。為此研究不同的橫截面形狀對溶腔流變特性的影響，設(shè)置了幾組不同的橫截面形狀，長軸與短軸之比分別為1.17、1.40、1.75、2.00。同時(shí)建立了一組單井水溶造腔的腔體模型，此時(shí)長軸與短軸之比為1，五組模型的溶腔高度完全一致，腔體有效體積為19.5×104m3，溶腔內(nèi)壓為平均壓力 12 MPa。圖4為5種不同長短軸比的腔體形狀。

圖4 5種不同長短軸比的腔體形狀

2.3.2 周期性內(nèi)壓模擬參數(shù)

對儲氣庫腔體進(jìn)行內(nèi)壓周期性變化的數(shù)值模擬，模擬4種工況，儲氣庫內(nèi)壓變化分別以365、182、120、22 d為一周期，4種工況下的溶腔尺寸完全相同，溶腔的長短軸之比為35 ∶30，鹽穴儲氣庫運(yùn)行應(yīng)力變化曲線見圖5。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1不同腔體形狀下的溶腔流變規(guī)律

3.1.1 腔體收縮率變化規(guī)律

在相同的總體積以及有效體積下，5種不同腔形溶腔的腔體體積收縮率變化規(guī)律如圖6所示?？梢钥闯?，不同長短軸比下的腔體體積收縮率變化不大，只有小幅度的上升。30 a的流變時(shí)間下，單井的腔體收縮率為12.5%，而長短軸比為2的腔體的體積收縮率為14.2%，增長幅度為13.6%，后者的腔體收縮率仍然在控制范圍之內(nèi)，說明小井間距雙井水溶技術(shù)形成的腔體是穩(wěn)定的。

3.1.2 腔頂沉降量變化規(guī)律

不同腔形下腔頂中心位置的沉降量如圖7所示。在不同腔形下，腔頂均出現(xiàn)了沉降，30 a的沉降量在1 m左右，腔體長短軸比不同，但腔頂?shù)某两盗繋缀鯖]有變化，說明小井間距雙井水溶造腔形成的平頂式腔頂依然具有較好的穩(wěn)定性。

3.1.3 腔體塑性區(qū)體積變化規(guī)律

鹽穴儲氣庫塑性區(qū)體積與鹽穴體積比值隨腔形的變化規(guī)律見圖8。可以看出，腔體橫截面長短軸的改變對鹽穴塑性區(qū)體積影響較小，這種影響在溶腔運(yùn)行過程中基本可以忽略，說明小井間距雙井水溶造腔形成的腔體能夠滿足儲氣的安全要求。

3.2壓力周期性變化流變規(guī)律

3.2.1 腔體收縮率變化規(guī)律

不同工況下腔體體積收縮率與流變時(shí)間的關(guān)系見圖9?？梢钥闯?，腔體體積收縮率隨流變時(shí)間呈周期性變化，但整體趨勢是一直在增大。4種工況總的低壓維持以及高壓存儲的時(shí)間是一樣的，但4種工況下的曲線卻并非一致，工況1的腔體體積收縮率要明顯大于工況2、3、4，這是由于工況1低壓持續(xù)維持的時(shí)間要大于后3種工況。因此，為了延長鹽穴的服務(wù)年限，在相同低壓維持的時(shí)間下，可以增加周期數(shù)，將低壓運(yùn)行的時(shí)間分成多個(gè)時(shí)間段。

圖5 鹽穴儲氣庫運(yùn)行壓力變化曲線

圖6 不同腔形的腔體體積收縮率

圖7 不同腔形的腔頂沉降量

圖8 鹽穴儲氣庫塑性區(qū)體積與鹽穴體積比值隨腔形的變化規(guī)律

圖9 不同工況下腔體體積收縮率與流變時(shí)間的關(guān)系

3.2.2 腔頂沉降量變化規(guī)律

4種工況下腔頂?shù)某两盗颗c流變時(shí)間的關(guān)系見圖10。30 a后4種工況下腔頂?shù)淖畲蟪两盗糠謩e為1.26、1.14、0.98、0.84 m，呈一個(gè)遞減的趨勢，說明增加運(yùn)行的周期數(shù)有利于抑制腔頂?shù)某两怠?/p>

圖10 不同工況下腔頂沉降量與流變時(shí)間的關(guān)系

3.2.3 塑性區(qū)體積分布規(guī)律

溶腔在不同工況下流變30 a的塑性區(qū)分布見圖11。4種工況下溶腔塑性區(qū)分布規(guī)律相近，都是在腔頂、夾層周圍以及腔底沉渣處的圍巖出現(xiàn)剪切破壞，且塑性區(qū)體積占腔體體積的比例在17%左右。說明改變?nèi)芮粌?nèi)壓的循環(huán)周期數(shù)對塑形區(qū)分布以及塑形區(qū)體積沒有太大的影響。

圖11 溶腔在不同工況下流變30 a的塑性區(qū)分布

4 結(jié) 語

以室內(nèi)模型試驗(yàn)的腔體形狀為依據(jù)，利用Flac3D軟件，分析了不同腔形、不同循環(huán)周期數(shù)對儲氣庫長期運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 小井間距雙井溶腔儲氣庫運(yùn)行30 a后，其腔體體積收縮率、腔頂沉降量以及塑性區(qū)體積3個(gè)指標(biāo)在安全范圍之內(nèi)，可知小井間距雙井溶腔具有較好的長期穩(wěn)定性。

(2) 在內(nèi)壓周期性變化條件下，增加單位時(shí)間的循環(huán)周期數(shù)對腔體穩(wěn)定性參數(shù)有較大的影響，單位時(shí)間的周期數(shù)越多，低壓連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間越短，腔體的體積收縮率、腔頂?shù)某两盗吭叫　?/p>

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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

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“薄鹽層雙井水平對接水溶造腔機(jī)理及調(diào)控基礎(chǔ)研究”(41672292)

易亮(1989 — )，男，博士，工程師，研究方向?yàn)榈叵鹿こ碳鞍踩こ獭?/p>