鹽宜鐵路油氣田區(qū)域選線方法研究

許朝帥 陳 麗 袁宏亮

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

1 項(xiàng)目概況

鹽泰錫常宜鐵路（以下簡稱“鹽宜鐵路”）是江蘇省鐵路網(wǎng)中南北向干線鐵路，北起蘇北鹽城，經(jīng)蘇中泰州，過蘇南無錫、常州，南止于無錫轄下的宜興，是長三角地區(qū)北翼的縱向骨架之一，向北可溝通沿海通道間接輻射蘇北連云港及山東等北部沿海地區(qū)，向南可溝通杭州樞紐間接輻射東部沿海地區(qū)［1-2］。鹽宜鐵路是國家高速鐵路網(wǎng)的重要組成部分，同時(shí)也是策應(yīng)“交通強(qiáng)國”國家戰(zhàn)略，推進(jìn)長三角城市群區(qū)域一體化發(fā)展，提高經(jīng)濟(jì)聚集度、區(qū)域連接性的需要。

鹽城至泰州段是鹽宜鐵路的重要組成部分，線路北承連鹽鐵路、徐宿淮鹽鐵路，中聯(lián)北沿江高速鐵路、蘇南沿江城際鐵路、滬寧城際鐵路［3］。

鐵路沿線油氣資源豐富，鹽城—泰州段沿線主要分布蘇北盆地高郵凹陷瓦莊油田、周莊油田以及溱潼凹陷茅山、邊城、北漢莊油田等。截至2021年，勘探開發(fā)46年的江蘇油田累計(jì)生產(chǎn)油氣當(dāng)量已超過 5 000萬t，其中原油4 908萬t、天然氣16.5億m3。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，鐵路沿線油氣井眾多。油氣井可能通過井噴爆炸產(chǎn)生的爆炸波、爆炸火球以及油氣開采引起的地面沉降，對(duì)鐵路施工及運(yùn)營安全造成影 響［4-5］，因此本文主要從油氣井角度綜合研究選線設(shè)計(jì)。

2 線路與石油設(shè)施間安全距離分析

為分析總結(jié)鐵路線路與石油設(shè)施間的安全距離，利用數(shù)值仿真方法建立了油氣開采沉降模型、爆炸波傷害效應(yīng)模型和爆炸火球傷害效應(yīng)模型，為后續(xù)線路走向提供數(shù)據(jù)樣本參考。

2.1 油氣開采沉降模型

2.1.1 數(shù)值建模

采用Plaxis對(duì)石油開采引起的地面沉降進(jìn)行數(shù)值分析。開采井穿越覆蓋層以及儲(chǔ)層上覆巖層進(jìn)入到儲(chǔ)層中，由于模型具有對(duì)稱性，以開采井為對(duì)稱軸進(jìn)行數(shù)值模型的建立。數(shù)值模擬共分為4種工況，分別對(duì)應(yīng)不同的抽采深度，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及資料收集，研究區(qū)內(nèi)最淺的開采井深約800 m，區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層深度普遍在 1 000～2 000 m范圍內(nèi)，故建立4種模型分別對(duì)應(yīng)開采深度800 m、1 200 m、1 500 m以及2 000 m。對(duì)應(yīng)的模型尺寸如表1所示，計(jì)算參數(shù)如表2所示。模型地層設(shè)置從上至下分別為覆蓋層、儲(chǔ)層上覆巖層、儲(chǔ)層、儲(chǔ)層下伏巖層發(fā)，其中覆蓋層厚度為150 m、儲(chǔ)層厚度為25 m。

表1 模型尺寸表（m）

表2 計(jì)算參數(shù)表

2.1.2 模擬結(jié)果及分析

本文主要研究油氣開采對(duì)土地沉降的影響，因此，僅分析開采過程中土體豎向位移的變化。通過 4種工況下土體的豎向位移云圖分析可知，采井底部沉降量較大，開采井井口地表沉降量較小，距離開采井最遠(yuǎn)的模型右邊界處地表幾乎無沉降。井口地表和遠(yuǎn)離井口地表的沉降量如表3所示。由表3可知，沉降量均為毫米級(jí)沉降；隨著開采深度的增加，井口沉降量幾乎無變化；距離井口越遠(yuǎn)，地表沉降量越??；研究區(qū)由油氣開采所引發(fā)的地面累計(jì)沉降量最大值為2.9 mm。

表3 沉降量表

2.2 爆炸波傷害效應(yīng)模型

鹽城1號(hào)井位于研究線路起點(diǎn)鹽城市北東向約 21 km，屬鹽城凹陷朱家墩背斜，線路所涉及的鹽城凹陷、高郵凹陷與溱潼凹陷同屬蘇北盆地，油氣地質(zhì)條件基本相同。因此采用鹽城1號(hào)井進(jìn)行井噴事故影響范圍計(jì)算，其結(jié)果具有代表性，可說明研究區(qū)內(nèi)油氣井井噴事故最不利的影響范圍。

為了得到井噴時(shí)發(fā)生爆炸的安全距離，采用蒸汽云爆炸波傷害效應(yīng)模型模擬爆炸波傷害效應(yīng)。對(duì)于多數(shù)烴-空氣混合物，蒸氣云的初始半徑與爆炸長度之比近似為0.18。采用最小二乘法對(duì)蒸氣云爆轟特性曲線進(jìn)行擬合［5-6］，可得到爆炸波正相參數(shù)的如式1所示。

式中：Ps——沖擊波正相最大超壓（Pa）；

Pa——大氣壓力，1.013 25×105Pa；

R——目標(biāo)到蒸氣云中心的距離（m）；

L0——爆炸長度，L0=（E0／Pa）1／3（m）；

E0——爆源總能量，E0=αWcQc（J）；

α——參與蒸氣云爆炸的有實(shí)際貢獻(xiàn)的燃料占 泄漏燃料的百分比，平均值為4%；

Wc——蒸氣云對(duì)爆炸沖擊波有實(shí)際貢獻(xiàn)的燃料質(zhì)量（kg）；

Qc——燃料的燃燒熱（J／kg）。

根據(jù)人員因爆炸而死亡概率的不同，將爆炸危險(xiǎn)源周圍由里向外依次劃分為以下4個(gè)區(qū)域：死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)和安全區(qū)。安全區(qū)表示該區(qū)內(nèi)的人員即使無防護(hù)，絕大多數(shù)人也不會(huì)受傷，死亡的概率則幾乎為零。該區(qū)內(nèi)徑為Re0.01，外徑為無窮大。內(nèi)徑Re0.01表示外邊界處耳膜因沖擊波作用而破裂的概率為1%，要求的沖擊波峰值超壓為17 000 Pa。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，安全距離計(jì)算參數(shù)如表4所示。由蒸汽云爆炸波傷害效應(yīng)模型計(jì)算可以得出鹽城1號(hào)井噴時(shí)發(fā)生爆炸的安全距離為119 m。

表4 鹽城1號(hào)井爆炸波模型安全距離表

2.3 爆炸火球傷害效應(yīng)模型

根據(jù)安文書［7］等推導(dǎo)的熱輻射傳播公式，如式（2）所示，進(jìn)行安全距離的求解。通過High推出的火球模型，推導(dǎo)出普適火球模型，如式（3）、式（4）所示，并將式（3）帶入式（2）中，得到式（5）。

式中：Q——熱劑量（J／m2）；

R——到火球中心的距離（m）；

B——常量（2.04×104）；

F——常量（161.7）；

D——火球直徑（m）；

t——火球持續(xù)時(shí)間（s）；

W——火球中消耗的燃料質(zhì)量（kg）；

θ——火球溫度（K）。

根據(jù)熱劑量傷害準(zhǔn)則，在瞬間火災(zāi)條件下，傷害程度只取決于接受到的熱劑量，各傷害效應(yīng)的熱劑量臨界值如表5所示。

表5 瞬間火災(zāi)作用下熱劑量傷害準(zhǔn)則表

蒸氣云爆炸的火球溫度在2 200 K左右，因此取θ=2 200 K，將熱劑量Q=172 kJ／m2代入式（5）中得出爆炸火球的輕傷距離公式，如式（7）所示。通過式（7）可計(jì)算出安全距離，根據(jù)現(xiàn)場資料計(jì)算得出的W=9 896.094 kg帶入式（7），最后得出安全距離R=141 m。

式中：W——蒸氣云爆炸火球中消耗的燃料質(zhì)量（kg）。

2.4 安全距離綜合分析

開采深度從800 m到2 000 m時(shí)，均為毫米級(jí)沉降，且隨著開采深度的增加，井口沉降量幾乎無變化；距離井口越遠(yuǎn)，地表沉降量越??；隨著開采深度的增加，沉降漏斗直徑有增加的趨勢。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，研究區(qū)由油氣開采所引發(fā)的地面沉降發(fā)育程度為弱，地質(zhì)災(zāi)害危害程度小，綜合評(píng)價(jià)地面沉降的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)為危險(xiǎn)性小?；谘芯繀^(qū)內(nèi)鹽城凹陷朱家墩背斜鹽城1號(hào)井，利用蒸汽云爆炸波傷害效應(yīng)模型和爆炸火球傷害效應(yīng)模型分別計(jì)算鉆井發(fā)生爆炸和火災(zāi)的安全距離，結(jié)果顯示鹽城1號(hào)井發(fā)生爆炸時(shí)安全距離為119 m，發(fā)生火災(zāi)時(shí)安全距離為141 m。結(jié)合仿真計(jì)算結(jié)果及相關(guān)規(guī)范，綜合推薦擬建高速鐵路與油氣井最小安全距離不小于150 m。

3 興化至泰州段線路走向介紹

工程選線主要受沿線地形地貌、不良地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)和環(huán)境敏感點(diǎn)分布的影響。在興化至泰州段，沿線分布眾多采油井和油氣管線，以采油井為線路走向的主要控制物，根據(jù)上文結(jié)論對(duì)線路走向進(jìn)行科學(xué)比選。

3.1 沿線油田現(xiàn)場調(diào)研

在收集擬建鐵路沿線油田的基礎(chǔ)上，對(duì)擬建高速鐵路沿線的地質(zhì)情況，油氣田生成情況進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查，得出主要結(jié)論如下：

（1）線路位于蘇北盆地內(nèi)，盆地內(nèi)有多個(gè)石油礦區(qū)。線路穿越的高郵凹陷主要目標(biāo)儲(chǔ)層為古近系三垛組至阜寧組地層，埋深普遍大于800 m，含硫量低。

（2）由于地表土層厚度大，區(qū)內(nèi)的斷層未連通地表，儲(chǔ)層內(nèi)的天然氣沒有良好的向上部地層運(yùn)移的通道。

（3）線路穿越的油氣田氣體主要成分為甲烷（CH4），硫化氫（H2S）含量低。

3.2 線路方案說明

充分考慮區(qū)域內(nèi)油氣井分布情況，利用上述研究結(jié)論，結(jié)合工程設(shè)置條件，在盡可能繞避油氣井并保證線路順直的基礎(chǔ)上詳細(xì)比選了經(jīng)華莊村方案和經(jīng)劉莊村方案。

（1）經(jīng)華莊村方案

線路自興化東站出站后取直朝陳堡鎮(zhèn)前行，上跨規(guī)劃寧鹽高速公路后走行于蚌蜓河?xùn)|側(cè)、繞避采油井，繼續(xù)向南經(jīng)陳堡鎮(zhèn)東側(cè)后先后上跨省道S352、阜溧高速公路，之后走行于高速公路與省道S231之間，于姜堰區(qū)淤溪鎮(zhèn)新橋村上跨省道S231，之后折向西南于港口村上跨鹵汀河，繼續(xù)前行上跨啟揚(yáng)高速公路后至寧啟鐵路前方案比選終點(diǎn)。比選范圍內(nèi)線路長度41.771 km，全部為橋梁工程。

（2）經(jīng)劉莊村方案

該方案興化至陳堡鎮(zhèn)段線路走向與上述方案相同，經(jīng)陳堡鎮(zhèn)東側(cè)后取直向南，先后上跨省道S352、阜溧高速公路，之后走行于高速公路與省道S231之間，于姜堰區(qū)淤溪鎮(zhèn)西薛村上跨省道S231，繼續(xù)朝西南前行，于北橋村上跨鹵汀河，繼續(xù)前行上跨啟揚(yáng)高速公路后至方案比選終點(diǎn)。比選范圍內(nèi)線路長度41.055 km，全部為橋梁工程。

4 興化至泰州段線路方案比選

4.1 從采油井影響方面分析

從采油井影響方面分析，兩種方案情況如表6、表7所示。

表6 華莊村方案沿線采油井情況表

表7 劉莊村方案沿線采油井情況表

由表6、表7可知，華莊村方案與華2采油井距離183.45 m，其余均大于200 m；劉莊村方案與沿線采油井距離均大于200 m。

從采油井影響方面分析，鐵路沿線油田油壓極低，不會(huì)產(chǎn)生井噴，目前該區(qū)域尚未發(fā)生由于石油開采引起的沉降。華2采油井位于華莊村方案線路左183.45 m，與線路之間的距離大于150 m。另外，兩方案與陳3-34注水井距離110 m，注水井不會(huì)發(fā)生井噴爆炸和燃燒，該注水井無需遷改。

4.2 主要工程數(shù)量及投資比較

兩方案主要工程數(shù)量及投資比較如表8所示。從線路長度及工程投資角度分析，經(jīng)華莊村方案線路長度增加716 m，投資節(jié)約2.79億元。

表8 主要工程數(shù)量及投資比較表

4.3 從鹵汀河橋跨局部線路方案分析

經(jīng)華莊村方案選擇鹵汀河最窄處，在港口村以大角度上跨，采用128 m連續(xù)梁一跨通過；經(jīng)劉莊村方案與鹵汀河交叉角度較小，為避免設(shè)置水中墩，需采用主跨320 m斜拉橋，約需4.5億元，投資增加較多，工期較長。

從上跨高等級(jí)道路橋梁工程方面分析，兩方案與沿線高等級(jí)道路交叉處橋梁設(shè)置情況如表9所示。

表9 橋梁設(shè)置情況表

由表9可知，與沿線高等級(jí)道路交叉，經(jīng)華莊村方案最大跨度為上跨阜溧高速公路處，為了預(yù)留高速公路擴(kuò)建條件，采用220 m斜拉橋。故從橋梁工程方面分析，跨越鹵汀河采用投資、工期及技術(shù)難度均較小的128 m連續(xù)梁方案，其余跨越重要節(jié)點(diǎn)差異不大，故推薦采用經(jīng)華莊村方案。

綜上所述，兩方案對(duì)沿線采油井均無影響，經(jīng)華莊村方案雖然線路長度略長，但其橋梁工程簡單、工程投資較省、施工工期較短，故本次研究興化至泰州段推薦采用經(jīng)華莊村方案。

5 結(jié)論

為分析油田對(duì)鐵路線路施工及運(yùn)維的影響，本文通過數(shù)值仿真方法建立了油氣開采沉降模型、爆炸波傷害效應(yīng)模型和爆炸火球傷害效應(yīng)模型，得到主要結(jié)論如下：

（1）研究區(qū)最大沉降量為2.9 mm，油氣開采所引發(fā)的地面沉降危害程度較?。畸}城1號(hào)井井噴時(shí)發(fā)生爆炸時(shí)的安全距離為119 m；發(fā)生火災(zāi)時(shí)安全距離為141 m。

（2）結(jié)合相關(guān)規(guī)范，綜合提出擬建高速鐵路與油氣井間的最小距離應(yīng)不小于150 m。

（3）對(duì)鹽城至泰州段內(nèi)線路走向進(jìn)行了方案優(yōu)化，并結(jié)合投資規(guī)模、橋梁方案等分析了線路的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定了興化至泰州段采用經(jīng)華莊村方案。