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盐穴储气库运行压力对腔体稳定性的影响

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盐穴储气库 运行 压力 稳定性 影响
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第 34 卷 第 4 期2012 年 7 月石油钻采工艺 34 42012文章编号: 1000 – 7393( 2012 ) 04 – 0089 – 04盐 穴 储 气 库 运 行 压 力 对 腔 体 稳 定 性 的 影 响时   文1,2申 瑞 臣2徐 义2苏 海 洋1,2杨 长 来3( 1. 中国石油勘探开发研究院, 北京 100083;2. 中国石油集团钻井工程技术研究院, 北京 100195;3. 中国石化川气东送管道分公司, 湖北武汉 430205 )引用格式: 时 文 , 申 瑞 臣 , 徐 义 , 等 . 盐 穴 储 气 库 运 行 压 力 对 腔 体 稳 定 性 的 影 响 [ J] . 石 油 钻 采 工 艺 , 2012, 34( 4) : 为 考 察 盐 穴 储 气 库 长 期 运 行 的 稳 定 性, 对 3 种 不 同 形 态 的 盐 穴 储 气 库 模 型 在 变 化 的 运 行 压 力 下 从 腔 壁 应 力 分 布 及溶 腔 体 积 变 化 两 方 面 进 行 分 析。 研 究 表 明: 盐 穴 腔 体 投 入 运 行 的 初 期 是 腔 壁 应 力 水 平 最 高 的 时 期, 应 力 集 中 主 要 出 现 在 腔 壁曲 率 较 大 的 部 分; 在 变 化 的 内 压 之 下, 应 力 松 弛 现 象 同 样 明 显, 腔 壁 应 力 在 逐 渐 降 低 的 同 时, 各 部 位 的 应 力 水 平 趋 于 均 匀; 在4~运行压力下, 溶腔应力变化及体积变化未随运行压力变化出现明显波动;模拟 10 年的运行之后, 梨形、 近似球形和圆锥形储气库的体积将分别缩小 27%、 22% 和 37%, 体积缩减速度在不断趋于平缓。关键词:盐穴储气库;应力分布;溶腔体积;运行压力;蠕变;应力松弛中图分类号 :  文献标识码 : of 2, 2, 00083, 00195, 30205, In to of in of to of of on is at in of in on is in is no in of Pa a of of 7%, 22% 7% of 北京市科技计划“天然气地下储气库建库技术研究及装备研制” ( 编号:1100059411024) 。作者简介: 时 文 , 1988 年 生 。 中 国 石 油 勘 探 开 发 研 究 院 在 读 硕 士 研 究 生 , 主 要 从 事 煤 层 气 及 储 气 库 工 程 研 究 。 电 话 : 0105501021795。 然 气 地 下 储 气 库 在 保 障 国 家 能 源 安 全 与 解 决城 市 季 节 性 调 峰 方 面 具 有 重 要 意 义。 目 前 常 见 的 储气 库 包 括 枯 竭 油 气 藏 储 气 库、 含 水 层 储 气 库、 盐 穴 储气 库 和 废 弃 矿 井 储 气 库。 其 中 盐 穴 储 气 库 以 其 较 高的 安 全 性 和 较 高 的 采 收 率 而 得 到 重 视, 而 且 在 一 定条件之下可以利用废弃的盐矿改造而成。由 于 盐 岩 特 有 的 蠕 变 性 以 及 地 质 条 件 差 异 性带 来 的 一 系 列 问 题 , 关 于 盐 穴 储 气 库 长 期 运 行 的 稳定 性 还 有 很 多 研 究 要 做 。 目 前 国 内 的 盐 穴 储 气 库尚 处 于 大 规 模 建 设 或 投 入 运 行 初 期 阶 段 , 采 用 数 值模 拟 的 方 法 来 分 析 其 运 行 过 程 中 的 腔 体 稳 定 性 可以 对 储 气 库 的 建 设 和 今 后 的 生 产 任 务 安 排 具 有 一定 的 指 导 意 义 。 考 虑 到 在 注 气 采 气 过 程 中 溶 腔 内压 变 化 对 盐 岩 的 蠕 变 过 程 会 产 生 影 响 , 本 文 利 用 立 了 3 种 不 同 形 态 的 储 气库 模 型 , 通 过 在波 动 的 运 行 压 力 下 进 行 时 间 跨 度 为 十 年 的 模 拟 , 从石油钻采工艺  2012 年 7 月( 第 34 卷 ) 第 4 期90腔 壁 应 力 水 平 和 溶 腔 体 积 变 化 两 方 面 来 分 析 不 同形 态 腔 体 稳 定 性 。1  模 型 描 述 型的建立 岩 土 工 程 中 具 有 广 泛 的 应 用, 尤 其 在时 间 场 模 拟 上 具 有 突 出 表 现。 由 于 有 限 元 分 析 软 件在 处 理 无 限 域 问 题 中, 模 拟 结 果 受 边 界 条 件 影 响 较大。 为 减 小 边 界 条 件 的 影 响, 将 要 研 究 的 储 气 库 置于 大 块 盐 膏 层 模 型 中。 分 别 建 立 3 种 不 同 形 态 的 溶腔模型, 即梨形、 椭球体( 近球体 ) 与圆锥形。为使结果 具 有 较 好 的 可 比 性, 3 个 储 气 库 的 高 度、 埋 深 及 最大宽度完全一致:盐层顶部埋深 700 m, 储气库高度170 m, 最大宽度 90 m, 距盐层顶面 140 m, 如图 1 所示。a 梨形溶腔b 椭球体溶腔c 圆锥形溶腔图 1 3 应力条件 地 应 力 的 情 况 因 地 而 异, 需 要 经 过 实 测 得 到, 通过 参 考 金 坛 及 平 顶 山 等 地 的 储 气 库 资 料, 在 盐 膏 层顶 部 加 垂 直 地 应 力 考 虑 自 重 影 响。 对 模型加水平地应力梯度如图 2 所示。图 2 料描述 经 过 徐 素 国 等 人 的 研 究, 不 同 成 分 的 盐 岩 的 物理 性 质 差 别 较 大[1], 取 模 拟 所 用 盐 岩 密 度 2 200 kg/弹性模量为 5 泊松比 岩 的 蠕 变 是 重 点 考 虑 的 因 素 , 国 内 外 的 专 家 学者 就 盐 岩 蠕 变 的 规 律 提 出 了 不 同 的 本 构 方 程 来 描 述蠕 变 规 律 , 如 多 机 制 变 形 模 型 ( , 盐 岩 蠕 变 损 伤理 论 , 考 虑 了 盐 岩 延 展 性 变 形 、 变 位 、 硬 化 、 软 化 及 损伤 和 损 伤 恢 复 的 构 模 型 等 等[ 2 盐 岩 的典 型 蠕 变 分 为 3 个 阶 段 : 瞬 态 蠕 变 阶 段 ( 也 称 初 始 蠕变 阶 段 ) , 稳 态 蠕 变 阶 段 和 加 速 蠕 变 阶 段 , 如 图 3所 示 。 图 3 典型蠕变曲线在 数 值 模 拟 和 工 程 应 用 中, 通 常 仅 需 考 虑 前 两阶 段 的 蠕 变 即 可。 梁 卫 国 等 通 过 实 验 认 为 盐 岩 很 快完 成 一 定 变 形 量 的 瞬 态 蠕 变, 继 而 进 入 较 长 时 期 的稳 态 蠕 变[6]。 其 中 瞬 态 蠕 变 阶 段, 应 变 与 时 间 满 足幂 指 数 关 系; 而 稳 态 蠕 变 阶 段, 应 变 与 时 间 则 呈 很好的线性关系。盐岩的蠕变公式可表示为c (1 e ) +−( 1)式 中 , 变 形 , 无 量 纲 ; 为 稳 态 蠕 变 率 ,1h;A 和 a 为材料常数; t 为时间, h。研 究 表 明, 瞬 态 蠕 变 经 历 时 间 极 短, 蠕 变 量 也 较小[7 而 第 2 阶 段 持 续 时 间 较 长, 因 而 盐 岩 蠕 变 可以用稳态蠕变阶段的应变速率来衡量 3' ')( )σ=−−( 2)式 中 , A' 为 流 变 常 数 ; Q 为 盐 岩 激 活 能 , kJ/ R 为摩 尔 气 体 常 数 , ) ; 力 学 温 度 , K。在温度恒定的情况下, ( 2) 式可简化为' 3()σ σ= −( 3)在 采 用 对 应 的 型, 根 据 申瑞 臣 等 的 研 究 成 果[9], 取 β =0n 为 3。模拟时间为 10 年。 行 压 力 描 述 天 然 气 储 气 库 的 主 要 任 务 之 一 即 为 为 城 市 天 然气 供 应 季 节 性 调 峰, 根 据 天 然 气 的 用 量 需 求, 一 般 在冬 季 为 供 气 旺 季, 以 采 气 为 主, 腔 内 气 压 较 低; 而 在夏 季 等 用 气 需 求 较 少 的 时 段 则 以 注 气 为 主, 具 体 的运 行 压 力 变 化 情 况 随 生 产 任 务 而 调 整, 本 模 型 中 取时 文等:盐穴储气库运行压力对腔体稳定性的影响 91一 种 普 遍 情 况, 参 考 某 储 库 设 计 方 案, 压 力 在 4~间波动, 具体的分布情况见图 4。 图 4 储气库运行压力考 虑 到 盐 穴 储 气 库 造 腔 释 放( 竖 向 或 水 平 向 )应 力 与 原 始 地 应 力 之 间 的 关 系, 由 莫 尔 — 库 伦 强 度准 则, 可 得 到 原 岩 应 力 与 储 气 库 壁 面 最 小 与 最 大 内压 之 间 的 关 系, 由 此 得 到 保 证 围 岩 稳 定 的 最 小 压 力s s v1 −++( 4)s h1 +−−( 5)运行压力应满足≤ ≤s s 6)式 中, 穴 储 气 库 内 压, 向 原 岩 应力, 平 原 岩 应 力, c 为 黏 聚 力,φ 为内摩擦角, ° 。该 公 式 适 用 于 盐 穴 储 气 库 处 于 三 向 压 缩 应 力 状态 下 内 压 极 限 值 近 似 计 算, 当 水 平 原 岩 应 力 各 向 不同 时, 取 较 小 者 参 加 计 算, 压 力 取 正 值, 且 盐岩的黏聚力为 4 右, 内摩擦角为 40~50°。根 据 建 立 模 型 中 的 地 应 力 算 得 该 储 库 允 许 内 压 77 符合安全要求。2 腔 壁 应 力 水 平 分 析 模 拟 运 行 的 时 间 为 10 年, 取 有 代 表 性 的 几 点,即运行第 1、 5、 10 年的 1、 7 两个月份, 进行采集数据,分 析 各 种 溶 腔 形 态 的 腔 壁 应 力 分 布 及 变 化 情 况, 如图 5~7 所示。图 5 梨形储气库腔壁应力随时间的变化图 6 近球形储气库腔壁应力随时间的变化图 7 圆锥形储气库应力分布随时间的变化可 以 看 出, 在 溶 腔 开 挖 完 成 之 后 应 力 水 平 最 高,腔 壁 的 应 力 分 布 同 溶 腔 形 状 具 有 很 大 的 关 系, 在 圆锥 型 储 气 库 的 底 部 及 梨 形 储 气 库 的 外 凸 部 分 应 力 都较 大, 即 曲 率 较 大 的 部 分 容 易 形 成 应 力 集 中, 而 近 球体 总 体 应 力 分 布 较 为 均 匀。 而 随 着 时 间 的 增 加, 应力在腔壁的分布趋于均匀。随 着 时 间 的 推 移 , 溶 腔 腔 壁 的 应 力 总 体 呈 下 降 趋势 , 而 且 下 降 的 趋 势 在 减 缓 , 到 运 行 一 段 时 期 后 , 应 力趋 于 稳 定 , 这 种 趋 势 可 以 用 应 力 松 弛 理 论 来 解 释 , 应力 松 弛 是 指 材 料 在 总 变 形 量 不 变 的 条 件 下 其 弹 性 变形 随 时 间 的 延 长 不 断 转 变 成 非 弹 性 变 形 , 从 而 引 起 材料 中 应 力 逐 渐 下 降 并 趋 于 一 个 稳 定 值 的 现 象 。 一 般 认为 在 恒 定 压 力 之 下 黏 弹 性 材 料 会 出 现 应 力 松 弛 现 象 ,而 在 变 载 荷 的 作 用 之 下 应 力 松 弛 现 象 则 较 为 复 杂 , 通过 模 拟 发 现 , 在 给 定 的 波 动 运 行 压 力 之 下 , 应 力 松 弛现 象 同 样 明 显 。 同 时 可 以 注 意 到 , 应 力 分 布 曲 线 的 前端 逐 渐 左 移 , 这 是 由 于 蠕 变 造 成 的 溶 腔 收 缩 造 成 的 。3 溶 腔 体 积 变 化在运行期间每年的 1 月和 7 月取值作为代表点,分 别 记 录 3 种 形 态 的 溶 腔 体 积 随 时 间 的 变 化 情 况见( 图 8) 。 可 以 看 出, 由 于 腔 内 流 体 压 力 小 于 盐 岩静 压 力, 在 蠕 变 和 应 力 松 弛 的 双 重 作 用 下, 溶 腔 体 积在 不 断 的 缩 小, 但 变 化 的 速 率 在 逐 渐 变 缓 和。 针 对盐 穴 储 气 库 的 失 效 事 故 分 析[10]认 为 较 低 的 溶 腔 内压 或 频 繁 的 内 压 变 化 会 导 致 溶 腔 体 积 损 失 较 大, 模拟 结 果 的 体 积 变 化 曲 线 较 为 平 缓, 表 明 内 压 每 年 在4~ 化 一 个 周 期 未 对 溶 腔 体 积 变 化 造 成 明石油钻采工艺  2012 年 7 月( 第 34 卷 ) 第 4 期92显影响。图 8 3 种形态溶腔体积随时间的变化图 9 可 以 直 观 地 表 现 各 种 形 态 溶 腔 体 积 相 对变 化 。图 9 3 种形态溶腔体积随时间的变化率3 种 形 态 溶 腔 变 化 规 律 基 本 一 致, 与 圆 锥 形 储 气库 相 比, 梨 形 储 气 库 与 近 球 形 储 气 库 的 相 对 体 积 缩小 较 慢。 模 拟 10 年 的 运 行 期 结 束 后, 梨 形 储 气 库 的体 积 缩 小 了 27%, 近 球 体 储 气 库 缩 小 了 22%, 圆 锥 形储气库体积则缩小了 37%。腔 壁 的 应 力 变 化 与 溶 腔 体 积 变 化 是 在 蠕 变 与 应力 松 弛 作 用 下 的 结 果, 运 行 压 力 的 波 动 可 视 为 反 复加 载 与 卸 载 的 一 个 过 程, 目 前 尚 未 查 到 适 用 于 盐 岩材 料 反 复 受 载、 蠕 变 与 应 力 松 弛 统 一 的 本 构 模 型 来做 定 量 分 析。 定 性 分 析 来 看, 应 力 变 化 和 溶 腔 体 积变 化 未 见 随 运 行 压 力 出 现 明 显 波 动, 这 可 能 是 由 于盐岩的流动性和黏滞性导致的应力应变滞回造成。4  结 论 ( 1) 考 察 不 同 形 态 的 储 气 库 模 型 在 运 行 十 年 过程 中 的 腔 体 应 力 分 布 情 况 和 体 积 变 化 情 况 , 认 为 腔体 形 态 对 于 其 稳 定 性 具 有 重 要 影 响 , 具 体 表 现 为 形态 不 同 , 潜 在 的 损 伤 区 域 分 布 和 范 围 不 同 , 同 时 蠕 变造 成 的 体 积 收 缩 也 同 腔 体 的 原 始 形 态 有 着 很 大 的 关系 。 在 储 气 库 的 形 态 设 计 以 及 溶 腔 作 业 过 程 中 , 要 避免 腔 体 出 现 曲 率 较 大 的 部 分 。 对 于 腔 体 形 态 同 体 积收 缩 比 之 间 的 关 系 , 仍 需 深 入 研 究 以 优 选 腔 体 形 态 。( 2) 在 储 气 库 运 行 的 不 同 时 期, 腔 体 的 稳 定 性 程度 不 同。 总 体 来 说, 随 着 运 行 时 间 的 增 加, 在 蠕 变 和应 力 松 弛 的 作 用 下, 腔 壁 的 应 力 集 中 和 腔 体 体 积 收缩 都 逐 渐 缓 解。 而 储 气 库 运 行 的 初 期 是 稳 定 性 较 差的时期, 不宜长期采用低压运行。( 3) 为 保 证 储 气 库 的 安 全 和 使 用 寿 命, 需 要 根 据生 产 要 求 和 所 在 区 域 的 地 质 条 件 合 理 地 安 排 运 行 压力区间和注采气速率, 防止出现大的压力波动。参考文献:[1]   徐 素 国, 梁 卫 国, 郤 保 平, 等 . 钙 芒 硝 盐 岩 蠕 变 特 性 的研 究[J]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报, 2008,27( :35162]   S, E, R, et of J] . 1996, 44( 9) :3 55365.[3]   , D. An of ]. 1998, 14( 1:854]   丁 国 生, 张 显 文 . 盐 穴 地 下 储 气 库[M]. 北 京: 石 油工业出版社, 2010:465]   F R I C H J T, F O S S U M A F, H I C K M A N R J . of J] 2007, 57 ( 3) : 3546]   梁 卫 国, 徐 素 国, 赵 阳 升, 等 . 盐 岩 蠕 变 特 性 的 试 验 研 究[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 25( 7) :13867]   唐 继 平, 王 书 琪, 陈 勉 . 盐 膏 层 钻 井 理 论 与 实 践[M]. 北京:石油工业出版社, 2004:198]   刘江, 杨春和, 吴文 . 盐岩蠕变特性和本构关系研究 [J] . 岩土力学, 2006, 27( 8) :12679]   申 瑞 臣, 魏 东 吼, 田 中 兰, 等 . 已 有 采 卤 老 腔 改 建 储气 库 工 程 技 术[M]. 徐 州: 中 国 矿 业 大 学 出 版 社,2007:10610]   李 丽 锋, 赵 新 伟, 罗 金 恒, 等 . 盐 穴 地 下 储 气 库 失 效 分析与预防措施[J]. 油气储运, 2010, 29( 6) , 407 收稿日期 2012〔编辑 景 暖〕
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