付曉飛

(中國(guó)石化江漢油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，湖北 武漢 430223)

江漢盆地黃場(chǎng)地區(qū)鹽巖十分發(fā)達(dá)，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)的特點(diǎn)。盡管鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)具有較好的安全性，但建腔過(guò)程不可見(jiàn)，無(wú)法控制腔體形狀；在鹵水長(zhǎng)期浸泡下，鹽巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變；不溶或難溶夾層的垮塌等都會(huì)對(duì)鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的穩(wěn)定性造成威脅。

在國(guó)外，儲(chǔ)氣庫(kù)技術(shù)已形成一套完整體系。Robert 等[1]分析了163個(gè)鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行資料；Adams[2]考慮鹽床特性、鹽穴壓力及圍巖應(yīng)力，得到壓力隨腔體不同深度的變化情況。在國(guó)內(nèi)，吳文[3]研究了圍巖與滲透率的擬合關(guān)系式；楊春和[4]開(kāi)展了不同載荷下的鹽巖蠕變?cè)囼?yàn)，建立了鹽巖蠕變本構(gòu)方程；譚羽非、陳衛(wèi)忠等[5-6]認(rèn)為當(dāng)鹽巖腔體儲(chǔ)氣壓力過(guò)低時(shí)，圍巖會(huì)產(chǎn)生較大的變形，腔體穩(wěn)定性變差；李建中[7]介紹了建造鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的建庫(kù)地質(zhì)條件、鹽穴設(shè)計(jì)以及在運(yùn)行壓力范圍內(nèi)安全圍巖礦柱寬度等重要參數(shù)；邱賢德等[8]認(rèn)為采深1 000 m、200 m間距時(shí)，安全溶腔直徑在85 m～95 m左右為宜。韓琳琳等[9]認(rèn)為儲(chǔ)氣庫(kù)的穩(wěn)定性與頂、底板的性質(zhì)、鹽巖層及夾層的性質(zhì)、鹽巖層與夾層交界面的性質(zhì)、溶腔最大和最小壓力及注采速率、溶腔形狀及礦柱距離5個(gè)因素有關(guān)。

鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)在長(zhǎng)期注采運(yùn)行過(guò)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。因此，針對(duì)江漢盆地黃場(chǎng)鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)開(kāi)展穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，為同類(lèi)型鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

1 鹽巖層及夾層的性質(zhì)

黃場(chǎng)地區(qū)處于江漢盆地黃場(chǎng)向斜中心部位，工區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，無(wú)斷層，裂隙不發(fā)育，地層平緩，傾角1°～3°。黃場(chǎng)地區(qū)潛二段由25個(gè)含鹽韻律層組成，鹽層埋深1 200 m～2 200 m，單個(gè)鹽層厚度7.5 m～33.5 m，鹽層累計(jì)厚度約400 m～600 m，含礦率76.8%，具有鹽巖厚度大，含礦率高的特點(diǎn)[10]。

黃場(chǎng)地區(qū)王儲(chǔ)3井潛二段第1～16韻律地層厚度389.2 m，其中鹽巖層厚度304 m，以石鹽巖、無(wú)水芒硝巖，少量鈣芒硝巖夾薄層泥巖為主，夾層厚度85.2 m，以泥云巖、含鈣芒硝泥巖、鈣芒硝質(zhì)泥巖為主，并貫穿于整個(gè)區(qū)域。由于泥巖夾層變形小，蠕變性能低，夾層的板狀存在擴(kuò)大了與鹽巖的交接面積，較好地限制了鹽層的變形，對(duì)腔體穩(wěn)定性起到了類(lèi)似于“錨桿”的加固作用[11]，但是當(dāng)同一夾層穿越多個(gè)腔體時(shí)，腔體的變形會(huì)對(duì)夾層產(chǎn)生擠壓、拉伸作用，使夾層發(fā)生較大變形，引起局部的破壞，影響腔體的穩(wěn)定性。

2 滲透率

黃場(chǎng)地區(qū)潛二段第1～16韻律鹽間夾層環(huán)境掃描圖顯示(圖1)：基質(zhì)為泥質(zhì)，氯化鈉發(fā)育，微觀結(jié)構(gòu)致密，密封性好，泥巖粒徑1 μm～5 μm，粒間孔隙10 m～100 m，孔隙度集中在10%以?xún)?nèi)，滲透率在10-18m2～10-20m2。曹琳[12]認(rèn)為當(dāng)腔體圍巖地層滲透率小于10-20m2時(shí)，幾乎不滲漏；當(dāng)滲透率大于 2×10-18m2時(shí)，必須考慮氣體滲漏的影響；當(dāng)滲透率介于2×10-18m2與10-20m2之間，腔體內(nèi)壓與圍巖壓力差過(guò)大、運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，可能會(huì)引起天然氣向圍巖地層滲漏。結(jié)合鹽巖溶腔滲流模型，分析認(rèn)為平面連續(xù)性分布的夾層長(zhǎng)時(shí)間受到較大壓力差時(shí)，會(huì)影響到腔體的穩(wěn)定性，因此，有必要優(yōu)化腔體運(yùn)行壓力。

圖1 潛二段鹽間夾層環(huán)境掃描圖Fig.1 Scanning map of salt interlayer environment in qian-2 member

3 蓋層單軸抗壓強(qiáng)度

巖石單軸壓縮變形試驗(yàn)是在單向應(yīng)力狀態(tài)下，巖石從初始加載到逐漸出現(xiàn)裂縫、到其極限抗壓強(qiáng)度、再到峰值后破壞區(qū)、直至殘余強(qiáng)度的全過(guò)程。潛二段第1～9韻律蓋層樣品單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果顯示(表1)。

表1 蓋層樣品單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表Tab.1 Results of uniaxial compression test for cover samples

單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量及泊松比的平均值分別為24.06 MPa、9.0 GPa和0.23μ，蓋層的單軸抗壓強(qiáng)度較大，其抵抗變形的能力較強(qiáng)，對(duì)鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)腔體穩(wěn)定性較有利。

4 運(yùn)行壓力

鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)受上覆地層壓力的影響，當(dāng)內(nèi)壓逐漸達(dá)到地層壓力時(shí)，鹽巖腔體出現(xiàn)破裂，鹽巖滲透率急劇增長(zhǎng)，而當(dāng)內(nèi)壓過(guò)小時(shí)，則容易引起腔體坍塌，腔體收斂容積損失較大。因此，在鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)投入運(yùn)行之前，要對(duì)腔體地質(zhì)因素的鹽穴密封性和鉆井工程因素的井筒密封性進(jìn)行檢測(cè)，以確定是否滿(mǎn)足儲(chǔ)氣庫(kù)安全運(yùn)行的要求。

黃場(chǎng)地區(qū)王儲(chǔ)6腔體頂界深度1 946.5 m，腔體投入使用之前，內(nèi)壁的工作壓力為飽和鹵水作用下的靜水壓力，此壓力值是一個(gè)隨深度變化的梯度壓力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽取鹵水的試驗(yàn)結(jié)果，取鹵水密度為1.2 g/cm3，則腔體內(nèi)壓力為1.2×9.81×H×103Pa，H為距離地面的深度，計(jì)算得出的壓力值約為22.91 MPa。

4.1 最高運(yùn)行壓力

通過(guò)破裂壓力、水密性試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)等多種方法評(píng)價(jià)了最高運(yùn)行壓力。地層破裂壓力指的是某一深度地層發(fā)生破碎和裂縫時(shí)所能承受的最大壓力。為了保證儲(chǔ)氣庫(kù)的密閉性，最大運(yùn)行內(nèi)壓應(yīng)小于地層破裂壓力的 80%[13]。由黃場(chǎng)地區(qū)地層資料可知，破裂壓力大于42.57 MPa(鹽巖平均密度取2 300 kg/m3)，因此最大運(yùn)行內(nèi)壓應(yīng)小于34.06 MPa。開(kāi)展了水密性試驗(yàn)，結(jié)果顯示腔體部位最高壓力為40.5 MPa；開(kāi)展了王儲(chǔ)6腔體氣密性試驗(yàn)，試壓結(jié)果表明:當(dāng)生產(chǎn)套管鞋處最大測(cè)試壓力35.2 MPa，儲(chǔ)氣庫(kù)最大運(yùn)行壓力32 MPa時(shí)，24 h內(nèi)鹽穴腔體氣水界面深度變化最大值為0.04 m，鹽穴井筒泄漏率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)是逐漸減小的，并最終穩(wěn)定在0值附近，可以看出氣密性較好，因此，建議最高運(yùn)行壓力應(yīng)小于32 MPa。

4.2 最低運(yùn)行壓力

為了得到不同內(nèi)壓條件下，不同直徑鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期流變載荷作用下圍巖變形量，內(nèi)壓分別取為17 MPa、20 MPa、23 MPa、26 MPa、29 MPa和32 MPa，得到不同70 m、80 m、85 m、90 m直徑的鹽穴圍巖變形量分布云圖。當(dāng)腔體直徑為85 m時(shí)，內(nèi)壓為17 MPa、20 MPa、32 MPa時(shí)，運(yùn)行30 a腔體圍巖最大變形量分別為10.1 m、8.67 m、1.79 m，最大變形量分別為腔體直徑的11.9%、10.2%、2.1%(圖2)，根據(jù)前期研究成果可知均滿(mǎn)足安全要求。因此，建議最低運(yùn)行壓力應(yīng)大于17 MPa。

圖2 腔體直徑為85 m、不同內(nèi)壓下運(yùn)行30 a腔體變形量圖Fig.2 Deformation diagram of cavity with 85 m diameter and 30 years operation under different internal pressure

5 腔體直徑

儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性主要由最大允許的溶腔尺寸所決定，同時(shí)，鹽巖的蠕變收縮現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致腔體體積減少，影響其穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。例如法國(guó)Tersanne鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行10 a后腔體體積減少了35%,美國(guó)Eminen鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建成運(yùn)行2 a后腔體體積減少了40%。當(dāng)腔體直徑分別為70 m、80 m、85 m、90 m時(shí)，以最低壓力17 MPa運(yùn)行30 a后，腔體體積收縮率分別為27.62%、27.13%、28.52%、29.95%，均滿(mǎn)足腔體體積收縮率控制要求。因此，綜合考慮儲(chǔ)氣庫(kù)經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性，建議腔體直徑取為85 m～90 m。

6 安全礦柱

從礦柱寬度分別為1.5 D、2.0 D、2.5 D、3.0 D時(shí)，內(nèi)壓17 MPa、運(yùn)行30 a條件下鹽穴圍巖中塑性區(qū)分布圖(圖3)可以看出：當(dāng)?shù)V柱寬度1.5 D時(shí)，在礦柱夾層位置基本形成了連通區(qū)域，隨著礦柱寬度的增加，鹽穴圍巖中塑性區(qū)面積不斷降低。當(dāng)?shù)V柱寬度增加到2.5 D以后，腔體圍巖中塑性區(qū)面積不在隨著礦柱寬度的增加而降低。因此，綜合考慮塑性區(qū)和鹽巖利用率，建議安全礦柱的寬度為溶腔直徑的2.5倍左右。

圖3 內(nèi)壓17 MPa、運(yùn)行30 a不同直徑腔體圍巖塑性區(qū)分布圖Fig.3 Plastic zone distribution of surrounding rock of cavities with diferent diameters under internal pressure of 17 MPa and 30 years of operation

7 結(jié)論

1)潛二段第1～9韻律蓋層的單軸抗壓強(qiáng)度較大，其抵抗變形的能力較強(qiáng)，穩(wěn)定性較好。

2)考慮運(yùn)營(yíng)效益與儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定性，建議最高運(yùn)行壓力應(yīng)小于32 MPa，最低運(yùn)行壓力應(yīng)大于17 MPa，腔體直徑為85 m～90 m。

3)考慮塑性區(qū)和鹽巖利用率，建議安全礦柱的寬度為腔體直徑的2.5倍左右。