江漢盆地黃場鹽穴地下儲氣庫穩(wěn)定性分析

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是一項復雜的工程技術，有關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濟、穩(wěn)定運行提供參考。

1 地質特征

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)構造簡單，地層平緩，傾角1～3°。東部構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，天然氣的滲漏應視溶腔內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：巖鹽微觀結構致密，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，滲透率在（10-18～10-20）m2，結合鹽穴儲氣庫溶腔滲流模型，分析認為溶腔內壓力影響天然氣的滲漏，有必要對溶腔內壓進行優(yōu)化。

3 運行壓力

隨著鹽穴儲氣庫的長期連續(xù)注采運行，地下鹽巖溶腔內的天然氣壓力不斷升高或降低，受到溶腔內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。內壓越高，腔體的體積收縮率就越小，且內壓對蠕變的影響較大。當內壓為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，根據最大壓力梯度經驗值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，內壓為17 MPa和32 MPa對應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。設計溶腔最大直徑85 m，最小安全礦柱按國內外普遍采用的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。

靜力分析結果顯示，在運行壓力為17 MPa 時，和單個溶腔的結果相比，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 結論

江漢盆地黃場地區(qū)鹽層分布穩(wěn)定、厚度大、品質好，為充分滿足鹽穴地下儲氣庫運行安全性、穩(wěn)定性及調峰需求，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。