热应力对盐穴储气库稳定性的影响

盐腔注采周期的变化导致腔内温度周期性变化,进一步导致围岩热应力的周期性变化。由于盐岩抗拉强度低,当这种周期性热应力为拉应力且数值较大时,盐岩将破碎从而导致腔体垮塌。结合声呐带压测腔实测的盐穴腔体形状和体积数据,采用有限元数值模拟方法,将温度场与已建力学模型进行耦合建立热应力模型,并对常规模型和热应力模型进行对比,以分析热应力对腔体稳定性的影响。结果表明:在常规模型中表现稳定的部分区域,在热应力模型中却发生垮塌现象,热应力模型计算结果与声呐实测带压测腔结果吻合,由此推断温度变化所产生的热应力是影响腔体稳定性的重要因素,严重时可能导致腔体垮塌。因此,腔体热应力影响因素的提出,进一步完善了腔体稳定性评价体系,使评价结果更加接近于地层的真实情况。     

提高盐穴储气库腔体稳定性的设计方法

为了实现盐穴储气库的可靠设计,确保储气库长期稳定运行,腔体必须满足以下稳定性准则:无或只有很小的拉伸破坏区、无或只有很小的剪胀损伤区、有限的体积收缩率等。以金坛区块一口典型井为例,运用二维轴对称有限元软件Locas从腔体稳定性和体积收缩率两方面对所设计的3种腔体形态进行数值模拟。对比分析稳压运行1年后3种腔体的状况,从而优选出腔体2,并给出其最优长短轴比,进一步指导施工现场的溶腔作业,并为金坛地区盐穴储气库的腔体形态设计提供必要的参考。     

基于可靠度理论的地下盐穴储气库矿柱稳定性

基于摩尔库伦准则建立盐穴矿柱失效函数,采用蒙特卡洛抽样法分析储气库矿柱安全可靠性,打破了传统方法难以对储气库可靠性具体量化的局限性。应用该方法计算了国内某盐穴储气库矿柱的可靠性指标和失效概率,结果表明：矿柱的失效概率随着盐穴埋深增加和夹层数增多而增大,随着储气库内压增大和矿柱宽度增大而减小;盐穴储气库的矿柱宽度对矿柱可靠性影响最大,在保证资源使用率最高的情况下,应尽量保证盐穴矿柱宽度／盐穴直径（跨径比）大于2;建议造穴时尽量采用埋深浅、夹层数少的优质盐岩层;储气库宜采用较大运行压力的运行模式,运行期间尽量减少低压运行时间。（图7,表3,参14）     

地下盐穴储气库周期注采运行稳定性评价

地下盐穴储气库库容量大、运行时间长、注采运行频繁,针对储气库周期注采运行稳定性的分析至关重要。以中国某地下盐穴储气库为例,根据实际注采运行数据,利用Flac3D有限差分软件模拟注采运行过程,通过分析盐岩扩容损伤、塑性区分布、水平位移、体积收缩率,得到了盐岩性质、矿柱稳定性、注采气对腔体稳定性的影响。结果表明:在7年的周期注采后,盐腔周围未发生扩容损伤破坏,安全系数大于5;两腔之间矿柱塑性区未发生连通,矿柱稳定;盐腔体积收缩率最大为1.78%,腔体的年体积收缩率符合安全标准,储气库处于稳定状态。     

盐穴储气库国内外发展概况

国外利用盐穴作为储气库的历史最早可追溯到20世纪50年代,自1959年苏联建成第一个盐穴地下储气库后,该项技术在北美和欧洲得到推广应用,法国、德国、英国和丹麦等国相继建成盐穴储气库。截至2009年,全世界74座盐穴储气库的总库容量为229.42×10~8m~3,工作气量为161.98×10~8m~3,工作气量占总库容量的70.6%。我国对盐穴储气库的研究始于1999年,在西气东输配套工程的建设过程中,确定了江苏金坛作为国内首个盐穴储气库的建库目标,目前6口老腔已形成1.1×10~8m~3的储气能力,第1批新钻储气库井正在施工建设中,2009年底完成造腔,已形成3.8×10~8m~3的调峰能力。迄今为止,美国和德国在盐穴储气库的建设方面发展较快,详细介绍了美国盐穴储气库和德国盐丘/盐层储气库的建造技术。     

盐穴储气库盐腔有效体积计算方法

盐穴储气库采用水溶采矿方式建造,需要根据盐腔有效体积定期进行声呐测腔和管柱调整.为此,提出一种盐穴储气库盐腔有效体积计算方法,包括排卤浓度测定方法和有效体积计算数学模型:利用银量法测定排卤浓度,计算采盐体积;再根据盐腔体积守恒原理推导出盐腔有效体积、盐层总动用体积以及膨胀后不溶物体积计算公式.将新方法应用于金坛A盐腔进...     

盐穴储气库运行损伤评价体系

腔体损伤评价是盐穴储气库安全运行涉及到的重要问题之一。通过对盐岩力学特性开展室内系统试验,利用损伤力学、岩石流变学理论及有限元数值模拟方法,研究了盐穴储气库运行过程中腔体损伤评价体系。盐岩损伤评价方法包括最大拉应力准则、最大剪应力准则、最大畸变能准则、膨胀强度准则、蠕变强度准则。利用ABAQUS软件对所关注盐穴的评价指标进行数值模拟计算,并将计算结果与声呐实测结果对比,表明:所采用的腔体损伤评价体系能够很好地对腔体注采运行过程中的损伤破坏进行评价,可为今后盐岩损伤评价预测及控制提供参考依据。     

盐穴地下储气库注采方案

盐穴地下储库的天然气注采性能是衡量储气库效能的重要指标,也是影响储气库稳定性的重要因素。依据实测地层信息建立两种不同形状的储库模型,基于天然气的市场需求规律制定盐穴储气库的注采方案,进行30年的蠕变模拟运行,研究注采方案变化对盐穴体积收缩、塑性区发展及盐穴腔壁位移量的影响。结果表明:形状差异对盐穴腔体性质的影响不明显;体积收缩随着时间的延长而增大,但增大速度逐渐变缓,低压运行期是引起盐穴腔体收缩的主要阶段;紧急采气后的低压运行期会对盐穴腔体产生不利影响,建议对不同盐穴轮流紧急采气以降低单个盐穴腔体紧急采气频率,或者采用在采气结束后立刻跟进注气的方法,保证盐穴的长期有效运行。     

盐穴储气库地质体完整性管理体系

在储气库完整性管理中储气库地质体的完整性管理必不可少。目前,储气库地质体完整性管理概念不清、界面模糊、体系不健全,且仅局限于气藏储气库完整性评价方面。为此,在分析气藏储气库地质体相关研究成果的基础上,提出盐穴储气库地质体概念,建立盐穴储气库地质体完整性管理体系。结果表明：储气库地质体完整性管理体系由以危害因素识别与资料分析为基础,风险评价与完整性评价为核心的4项内容组成;盐穴储气库地质体风险分析以盐腔体积收缩率、天然气渗漏量及地面沉降量3项指标的分析为主;盐穴储气库地质体完整性评价技术系列由盐腔与地面稳定性、断层稳定性、夹层与盖层完整性评价3项技术构成。盐穴储气库地质体完整性管理体系的建立弥补了储气库完整性管理体系中地质体管理的缺失,为储气库的安全运行管理提供了技术支撑与新的应用方向。（图1,表2,参31）     

盐穴储气库腔体形态控制新方法

根据盐穴溶腔过程中腔体形态控制的工艺原理,假设腔内气液不相溶,初步建立了以氮气作为保护层材料时气液界面深度的计算模型,给出了腔体内气水界面稳定时的井口注气量计算模型.以金坛某井盐穴储气库的造腔为例,计算了以氮气作为保护层材料时,该井所需的氮气注气量和气水界面深度.从材料费用角度对比分析了氮气和柴油作为保护层材料时的经济成本,结果表明,氮气作为保护层材料可大大降低储气库的建库成本.     

盐穴储气库快速造腔方案

储气库作为天然气管网的配套设施,对于维持天然气供应平稳有重要作用。中国储气库建设近年来发展飞速,但由于其建设相对较晚,尚无法满足日益增加的天然气需求,冬季"气荒"现象时有发生。储气库建设投入大、周期长,一个储气库从造腔到投产约需要4年时间。在此提出一种快速造腔投产方案,即在造腔的同时注气,利用注入的天然气作为保护腔顶的阻溶剂。这种快速造腔方式不仅降低了阻溶剂的成本,同时还将腔体投产时间大大提前。模拟分析表明,边建边储的盐穴地下储气库造腔方式是可行的。(图9,表4,参20)     

盐穴地下储气库风险评估技术与控制措施

从风险评价标准、风险识别因素、失效概率和失效后果计算等方面,介绍了盐穴地下储气库风险评估技术的研究进展。基于盐穴地下储气库风险评估从定性向定量化发展的趋势,提出了实施定量风险评估的关键技术,包括分析评估单元的划分、风险因素的识别、失效模式确定、事件发生概率的计算、事件发生后果的计算、风险计算、风险容忍度的确定等。基于风险控制目标和步骤,提出了设置监控井、规范监/检测作业和维修更换管理、设置防护栏和预测盐穴体积收缩率等盐穴储气库风险控制措施。     

盐穴储气库水平腔溶蚀特征实验

中国盐岩资源具有夹层多、盐层薄、品位差等特点。常规单井垂直造腔腔体体积小、盐层利用率低,不能满足快速、高效建库的要求。水平多步法造腔可提高盐层利用率,适合在薄盐层盐矿建设大型储气库。腔体形态是影响水平腔体积和稳定性的关键因素。在此开展了水平腔溶蚀特征物理模拟实验,探究了排量、排卤管高度、退步步长等造腔参数对腔体形态和排卤浓度的影响。结果表明：大排量和高排卤管口位置会降低排卤浓度,且在造腔前期影响更显著;小步长宜形成驼峰形腔顶,大步长和使用阻溶剂宜形成平顶形腔顶,双井交替注水则形成两端大、中间小的腔体。实验得到的腔体形态与数值模拟结果基本一致,验证了实验结果的准确性。并且结合实验结果给出现场水平多步法造腔排量、步长等参数的参考值,以建造驼峰形水平腔,从而提高腔体稳定性和储气能力。（图5,表3,参24）     

盐穴储气库造腔设计与跟踪

中国适合建库的地质条件为层状盐岩,造腔盐层段具有厚度小、夹层多、含盐品位低等特点,其地质结构决定了中国盐穴储气库造腔设计不能完全借鉴国外设计经验。根据近十年来盐穴腔体造腔设计和现场实践,首次提出了适合层状盐岩造腔设计关键参数的选取原则,并基于此原则编制了初步造腔设计与调整方案,以指导现场造腔实践,效果良好。在现场造腔跟踪期间,形成了造腔动态分析、阻溶剂界面监控、造腔进度跟踪及声呐测腔等一系列跟踪与监测技术,有效避免和减少了现场造腔异常并及时发现和解决造腔突发问题,保证了腔体在建造期间正常有序。研究成果可为其他盐穴储气库建设提供设计依据和技术支持。     

盐穴储气库巨厚夹层垮塌控制工艺

在盐穴储气库的建设过程中,巨厚夹层的存在不仅使造腔难度大幅增大,而且在不同程度上影响腔体形状。为了充分利用盐层,对巨厚夹层的垮塌过程及其控制工艺进行研究。以国内某储气库12 m的厚夹层为例,选取2口井进行现场试验。结果表明:巨厚夹层作为直接腔体顶板时,出现整体失稳垮塌的概率较小;在巨厚夹层达到一定跨度后,上下同时造腔,井眼处易产生局部破坏,从而引起夹层的大面积垮塌。结合现场数据分析可得:通过控制井下工艺使厚夹层跨度达到60 m时,既可以使厚夹层大面积垮塌,又可以减小井下工艺的复杂程度。研究结果对盐穴储气库厚夹层处理具有一定借鉴的意义。     

金坛盐穴储气库地质力学评价体系研究进展

基于盐穴储气库所在目标地层的地质特征、物性参数及运行参数等,建立盐穴储气库的地质力学模型对盐穴围岩响应规律进行研究,是目前盐穴储气库运行参数优化及安全评价的主要方法之一。通过对盐穴储气库地质力学评价中的岩石力学参数获取、地质力学模型建立及安全评价指标体系的国内外研究进展进行综述,并结合金坛盐穴储气库实际情况,对盐穴储气库地质力学评价体系的应用效果进行了验证。同时,根据金坛盐穴储气库后期发展面临的技术难题,对盐穴储气库地质力学评价体系进行了展望。     

盐穴储气库水平井造腔模拟试验

水平井造腔是中国盐穴储气库的必然发展趋势,盐穴形态发展规律不明确是制约这一技术发展的瓶颈。利用研发的水平井造腔模拟试验装置开展试验,实时观测盐腔形态扩展过程。同时,研制了卤水质量分数同步取样装置,可以实现同一时刻盐腔不同部位卤水取样,分析盐腔内部卤水质量分数分布规律及其与注水流量的关系,探究盐腔形态扩展规律及其成因。研究结果可为水平井造腔技术的规模化应用提供技术支持与借鉴。(图11,表1,参25)     

盐穴地下储气库失效分析与预防措施

阐述了盐穴地下储气库失效的概念,确定将泄漏和传输能力下降作为盐穴地下储气库的2种失效模式;回顾了国内外盐穴地下储气库的失效事故,分析了失效原因,并对套管失效和盐岩蠕变等失效原因进行了详细分析;提出了盐穴地下储气库失效的预防措施,包括定期对注采井、套管及水泥环胶结的状态进行检测,加强注采井动态参量的监测,完善运行数据管理程序,开展盐穴体积收缩率的预测工作,在储气库设施和城市之间设置监控井等。     

盐穴型地下储气库调峰优化控制

在分析输气管道运行工况与城市用气特点的基础上,采用灰色理论与人工神经网络组合预测方法,建立了适用于含有地下储气库输气管道的负荷预测模型,提出了盐穴型地下储气库调峰工艺参数优化控制策略,并以实例形式给出了计算过程及分析结果,得出的结论有利于科学确定盐穴型地下储气库的生产方案,提高经济效益.     

金坛盐穴储气库腔体畸变影响因素

金坛储气库在建设过程中,腔体不同程度地存在形状不规则的特点,分析腔体形态发育情况,找出腔体形态畸变的关键因素,并在后续造腔过程中加以控制,对于保障储气库经济效益和安全生产具有重要意义。基于金坛储气库的地震、测井和造腔数据分析,从地质和工艺两个方面出发,研究了多种因素对于盐穴形态变化的影响,结果表明：金坛储气库盐穴所处的构造位置、夹层的展布、不溶物的分布对盐穴的畸变无明显影响;而夹层数量和夹层厚度是影响盐穴形态的主要因素;溶腔速率的增大,会导致盐穴畸变;油垫层的位置和厚度会影响盐穴的形状;停井静溶期间,因卤水很快达到饱和,对腔体形态不会产生影响。目前,国内对于该问题的研究尚属空白,处于探索阶段。（图8,表2,参6）