水平腔型盐穴储气库注采运行稳定性分析

刘冰冰，李德宁，施金伶，武志德，孟 芳

(1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；
2.中国石油天然气集团公司 油气地下储库工程重点实验室，北京 100083；
3. 大港油田天津储气库分公司，天津 300450)

盐穴地下储气库具有注采转换灵活、损耗率低、垫层气少且可回收的优点，是用于天然气战略储备和季节性调峰的重要基础设施[1]。针对我国盐岩地层品位低、含夹层多、纯盐层厚度小[2-5]等特点，水平腔储气库相比常规的垂直溶腔能更充分地利用盐岩地层，提高造腔效率与经济效益[6]。由于盐穴储气库水平腔腔体形状不同于常规垂直型腔体，在空间分布上以水平展布为主，形态受腔体截面形状及水平长度控制[7-10]，其稳定性评价是建设与运行的关键。

国内外学者针对水平腔盐穴储气库的稳定性问题开展了相关研究[11-14]。李梦瑶等[15]模拟了水平腔储气库周期注采和井喷事故下的运行状态，评价该工况下的稳定性和可用性。结果表明：水平盐腔能很好地适应我国高杂质、薄盐层的建库条件。孟涛等[16]对比了不同界面形状水平腔的稳定性，认为直径30 m的圆形或尺寸为36 ∶24 ∶12的倒梯形水平腔稳定性最佳。赵艳杰等[17]通过数值模拟方法确定了淮安地区水平腔储气库运行压力为12 MPa～26 MPa。Zhang[18]等针对水平腔储气库套管鞋稳定性开展研究，根据盐岩膨胀区确定套管鞋的位置，安装深度应随内压增加而增大，随水平跨度增加而减小更利于稳定性。Li[19]等考虑了不溶性物质在水平溶洞中的堆积，提出一种简化的流场和浓度场模型，利用复合网格结构分析水平腔稳定性。Zhang[20]等建立水平腔顶板渗漏模型，明确了赵集盐矿水平腔的直接顶板坍塌破坏机理。郝铁生等[21]建立了顶板交接层面不产生滑移的条件表达式及强度破坏表达式，确定了顶板交接层面处的破坏位置及范围。

水平腔盐穴储气库形状特殊，周期注采气使得盐腔承受着长期往复的内压作用且需要运行维护长达30 a之久[22-24]。因此，水平腔储气库长期运行的围岩变形规律和注采气影响下的稳定性对于其能否安全运行起着至关重要的作用。文章针对水平腔运行稳定性开展研究，分析水平腔型盐穴储气库长期注采气循环下的稳定性，为盐穴储气库设计与建设提供有益借鉴。

我国某拟建盐穴储气库目标层段是古近系阜宁组四段上盐亚段，工区构造简单，断裂相对不发育，地层厚度由边部向沉积中心逐渐增大，含盐性变好。平面分布稳定，盐岩顶部埋深 1 365 m～2 011 m，含盐地层厚度37.5 m～169.5 m，平均123.9 m。盐层累计厚度29.1 m～124.0 m，平均91.3 m，含矿率为55.4%～86.8%。盐岩主要由石盐，部分硬石膏、钙芒硝、无水芒硝组成， NaCl含量一般为66.0%～79.2%，水不溶物含量较少，平均为12.4%～20.7%。夹层岩性一般为含盐泥岩、盐质泥岩、钙芒硝质泥岩，单层厚度小于2 m，夹层中含有一定比例的NaCl，具有一定的可溶性。

3.1 数值模型

根据该地区储气库真实地层资料(图1)建立数值模型，见图2。

图1 地层平面示意图

图2 水平腔储气库数值模型图

腔体形状为水平型长管结构，由端部半球体和水平方向柱状回转体组成，长度为400 m，截面形状为直径30 m圆形，腔体体积29.64×104m3， 中心埋深1 516.1 m，未穿越夹层。三处薄泥岩夹层分别位于1 683.3 m、1 693.1 m和1 739 m，厚度分别为3.5 m、2.4 m和2.4 m。整体地层计算模型范围取为600 m×200 m×300 m。根据模型顶部地层实际埋深1 377 m施加模型顶部上覆地层压力为34.5 MPa，对模型底面施加垂直方向简支约束，四个侧面施加各面法线方向的简支约束，不允许其产生法向移动。

3.2 计算参数

数值模拟计算采用Mohr-Coulomb强度理论。该理论是一种剪应力强度理论，较全面地反映了岩石的强度特征，同时适用于塑性岩石和脆性盐岩的剪切破坏，也反映了岩石抗拉强度远小于抗压强度这一特性[25]。假设压应力为负，拉应力为正，则Mohr-Coulomb强度条件的屈服函数为：

(1)

蠕变模型采用CPOWER模型，该模型结合了粘弹性双组分Norton-Power模型和Mohr-Coulomb弹塑性模型的行为，更好地描述了岩石稳态蠕变阶段蠕变率随时间指数增长的现象，表达式如下：

(2)

通过室内岩石力学实验获得建库地区盐岩和泥岩的数值模拟参数见表1。

表1 数值模拟参数

3.3 运行工况

根据天然气的季节性市场调峰特点，制定循环注采气方案，模拟储气库用于天然气调峰的实际工况。设计储气库运行压力为12 MPa～26 MPa[17]，运行年限为30 a，每年分四个阶段，(1)注气期。05-01～07-31，92 d内盐腔内压由12 MPa提升至26 MPa；
(2)高压关井期。从08-01～10-31，保持高压26 MPa运行92 d；
(3)采气期。11-01～次年01-31，92 d内盐腔内压由26 MPa降至12 MPa；
(4)低压关井期。从次年02-01～次年04-30，保持低压12 MPa运行92 d，期间腔体压力变化见图3。

图3 循环注采腔体内压变化

4.1 水平腔围岩变形与受力分析

水平腔注采运行30 a竖直、水平位移分布云图见图4，围岩整体呈向内收缩趋势，顶板与底板以发生竖向变形为主，腔体径向主要发生水平方向变形，其中，顶板下沉量与水平收缩量高于底板上鼓量，越靠近腔体的围岩变形量越大。水平腔注采运行30 a最终顶板下沉量1.72 m，底板上鼓量1.23 m，水平方向收缩1.75 m，相对于初始腔高30 m整体变形量约10%。

图4 水平腔注采运行30年位移分布云图

注采运行30 a期间腔体顶板与底板变形量随时间变化曲线见图5。由图5可知，顶板变形量同底板变形量相比较大，且随运行时间的增长，两者差距逐渐扩大。造腔结束时，腔体产生了较大的变形量，顶板变形量占最终的15.2%，底板变形量占最终的19.8%。注采运行早期腔体变形较快，前10 a变形量约占最终变形量的47%。

图5 注采运行30 a期间顶、底板位移量

获取水平腔注采运行第1 a与第10 a的围岩最大主应力分布云图(图6、图7)。在注采运行初期，水平腔内压与初始地应力不同，云图分布界限明显。腔壁围岩附近最大主应力约18 MPa～19 MPa，相邻泥岩夹层处最大主应力达21 MPa～26 MPa，界面间应力不匹配，地层间应力平衡过程导致腔体变形速率较快。水平腔注采运行第10 a云图中显示盐岩层与泥岩夹层间应力逐渐融合，腔体附近最大主应力介于20 MPa～24 MPa，基本达成平衡，此后变形速率较初期有所减缓，随时间呈线性增长。

图6 水平腔运行第1 a最大主应力云图

图7 水平腔运行10 a最大主应力云图

4.2 水平腔收缩规律分析

图8为水平腔注采运行30 a间体积收缩率变化，腔体总体积随时间变化曲线同顶、底板变形曲线相似，前5 a体积收缩速率较快，运行10 a体积收缩率为11.4%，其后体积收缩速率逐渐减慢，随时间呈线性增长。运行30 a最终体积收缩率为19.8%，平均0.66%/a，满足盐穴储气库体积收缩率的设计要求。

图8 水平腔注采运行30 a体积收缩率

4.3 水平腔塑性区分布

根据图9、图10水平腔注采运行第1 a与第30 a塑性区分布云图可知，注采运行初期，围岩仅在下侧泥岩夹层位置产生少量剪切塑性区，整体几乎无拉应力产生，其中，剪切塑性区主要出现在临近盐岩层的下部泥岩夹层。剪切塑性区的产生表明该部分夹层泥岩达到屈服条件，发生塑性流动，存在破坏的可能。这是由于盐岩在地下高围压环境下具有良好的蠕变特性，不易产生剪切破坏。但夹层泥岩脆性较强，二者变形不协调界面处易产生剪切破坏。

图9 水平腔注采运行1 a塑性区分布云图

图10 水平腔注采运行30 a塑性区分布云图

运行30 a后围岩塑性区以拉伸塑性区为主，大面积分布在盐岩层段和相邻上下两部分泥岩夹层处。由于盐岩抗拉强度很低，拉伸塑性区的产生预示着该部分盐岩发生破坏，但破坏未出现明显连接贯通，夹层不会整体垮落。

4.4 扩容损伤分析

储气库注采运行期间，岩石在应力作用下内部裂隙会发生发育、连通，伴随体积扩容现象，导致围岩渗透率大幅增加，容易引起储气库气体的逸散。

岩石扩容膨胀破坏准则可表示为：

(3)

I1=3σm=σ1+σ2+σ3

(4)

(5)

式中：a、b——常数，与岩石自身性质相关；
I1——第一应力不变量，J2——第二应力偏量不变量。

根据该地区岩石力学实验确定该地区扩容损伤准则方程为：

(6)

定义扩容损伤安全系数为：

(7)

当安全系数Fs<1时，岩石发生扩容损伤，不满足稳定性要求；
当安全系数Fs<0.6时，岩石发生严重破损，渗透率大幅增加，容易造成泄露危险。

图11给出了水平腔储气库周期注采运行30 a切面的安全系数云图。

图11 水平腔注采运行30 a安全系数云图

储气库注采运行30 a的最小安全系数为1.477。观察安全系数云图数值分布规律，围岩安全系数最小值出现在水平腔顶部与底部腔壁附近，越靠近腔壁处安全系数越低。建库盐岩层段和泥岩夹层处的安全系数较低，且水平腔顶部泥岩夹层的安全系数低于底部泥岩夹层。水平腔的直接顶板与底板作为腔体压力循环的应力承担层最开始出现扩容损伤，而后向腔体顶部和底部传播。该运行工况下储气库周期注采运行30 a期间围岩满足Fs>1的扩容损伤破坏准则，未发生扩容损伤破坏。

根据国内某储气库真实地层条件，按照每年一注一采的工况模拟水平腔储气库长期运行，认为其满足稳定性评价准则，稳定性较好，为水平腔盐穴储气库设计与运行提供有益借鉴。

1)水平腔盐穴储气库注采运行30 a顶板最终变形量为1.72 m，相对于初始腔高30 m变形量约10%。运行前5 a腔体体积收缩速率较快，最终体积收缩率为19.8%，满足体积收敛准则。

2)注采运行初期围岩仅在下侧泥岩夹层位置产生少量剪切塑性区；
运行5 a后塑性区以拉伸为主，在造腔盐岩层段和相邻上下两部分泥岩夹层均有大面积分布，但未出现明显连接贯通，夹层不会整体垮落。

3)根据该地区岩石力学实验建立扩容损伤准则方程。计算水平腔储气库注采运行30 a的最小安全系数为1.477>1，未发生扩容损伤破坏。