（油气储运工程专业论文）金坛盐穴地下储气库造腔工程技术研究.pdf

e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yo fc a v i t ym a k i n gi nj i n t a n s a l t - c a v e r nu n d e r g r o u n dg a ss t o r a g e w e id o n g h o u ( s t o r a g e & t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h el i m i n a b s t r a c t t h i sp a p e rf u l l yi n 仃o d u c e dt h em a i nt y p ea n df u n c t i o no f u n d e r g r o u n dn a t u r a lg a ss t o r a g e a n dt h e n i ts u m m a r i z e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h et r e n do fd e v e l o p m e n to fd o m e s f i ca n df o r e i g nu n d e r g r o u n dg a s s t o r a g e , p o i n t i n go u tt h ee c o n o m i ca n ds t r a t e g i cs i g n i f i c a n c eo fd e v e l o p m e n t i ta l s od e s c r i b e dt h ep r e s e n t d e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fj i n t a ns a l t - c a v e r nu n d e r g r o u n dg a ss t o r a g ei n0 1 1 1 c o u n t r y , w h i c hi st y p i c a l t h ep a p a e ri n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l ea n dc o n c e p to fm a k i n gc a v i t yw i t hw a t e r - s o l u t i o na n d s u m m a r i z e dt h ef a c t o ro fa f f e c t i n gw a t e r - s o l u b l ec a v i t ym a k i n gr a t e i ta n a l y z e dt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g y c o n d i t i o na n dt h ee x i s t i n gw e l lc a v i t ys i t u a t i o no fj i n t a ns a l tc a v e r n s ，t h r o u g hw h i c hb r o u g h tf o r w a r df e a t c a v i t yc o n s t i t u t i o n ra l s oa n a l y z e dt h ec a v i t ym a k i n gc r a ro fj i n t a ng a ss t o r a g e ，s u m m a r i z i n gt h es i m u l a t i o np r o c e s so f c a v i t ys h a p eb yd i v i d i n gi ti n t os i xs t a g e s a n dt h ec o n t r o lm e t h o do fc a v i t ys h a p eh a d b e e ni n v e s t i g a t e d i n a d d i t i o n , i tp r o p o s e dt h ed e s i g np r i n c i p l eo fc a v i t ym a k i n gt u b ea n dt h ea r r a n g e m e n tr u l eo fc a v i t ym a k i n g w e l lh e a d d e s c r i b i n gt h ee n t i r ec a v i t ym a k i n gp r o c e d u r ei nd e t a i l 。i tm a d et h o r o u g hr e s e a r c ho nc e r t a i n k e yt e c h n i q u es u c ha st h er o o fp r o t e c t i n gt e c h n o l o g ya n d s oo n t h i sp a p e rs t u d i e dt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yd u r i n gt h et h ec a v i t ym a k i n gp r o c e s so fj i n t a ns a l t - c a v e r n p r o p o s i n gt h ec o n t r o lp r i n c i p l eo fp r e s s u r e ，d i s p l a c e m e n t , p r o t e c t i o nf l u i d ，f l o o dw a t e r , b r i n yw a t e ra n d m o n i t o r i n gi n s t r u m e n t i ta l s op r e s e n t e dt h em o n i t o r i n g m a i n t e n a n c es t a n d a r do fc a v i t ym a k i n gt u b ea n d t h ev o l u m e s h a p eo f t h es a l tc a v e l t i s t h em e t h o do fw e l ll o g g i n gw a sa l s os t a t e d a tt h ee n do ft h i sp a p e ri ta n a l y z e dt h ea p p l i c a t i o np r o s p e c to fj i n t a ns a l t - c a v e mg a ss t o r a g e ， s u m m a r i z i n gt h et r e n da n dp o t e n t i a lo fu n d e r g r o u n dg a ss t o r a g ed e v e l o p m e n t i no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：u n d e r g r o u n dg a ss t o r a g e ；j i n t a n ；s a l t - c a v e r ng a ss t o r a g e ；c a v i t ym a k i n g 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：盔缸耋! 垒_ 日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f - j ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：纽坌乡 指导教师签名： 日期： 日期： 年月日 年月日 十目i # ( $ ) 目学位* 女 第l 章绪论 1 1 研究背景及意义 地下储气库是将从天然气田采出的天然气重新注入地下可以保存气体的空间而形 成的一种人工气田或气藏。地下储气库主要建设在靠近下游天然气用户城市的附近。 目前世界上的主要天然气地下储气库类型包括四种：即枯竭油气藏储气库、含水层 储气库、盐穴储气库和废弃矿坑储气库( 圈l - 1 、表1 - 1 ) 。 圉1 - 1 储气库主要类型及比例 m a i n f o r e s o f g a s d e p o ta n d t h e i rp r o p o r t i o n a l i t y 表i - ! 不同类型地下储气库特征 c h t e r b h ao f d i f f e r e n t t y p e s o f u n d e r g r o u n dg a sd e p o t 类型储存介质储存方 击工作原理优越性缺点用途 枯竭油 原始饱和油 由注， 气 气体压缩膨胀 储气最大， 地面处理要 季节调 气水的孔隙 体把原始及泣体的可压 可利用油气 求高，垫气量 气藏液体加压缩性结合流动大。部分垫气 蜂与战 性洛透地层田原有设施略储备 并驱动特点注入采出 无法回收 原始饱和水 由注八气气体压缩膨胀 勘探风险太，季节调 含水层的孔隙性渗 体把原始厦渍体的可压 储气量大垫气不能完峰与战 液体加压缩性结合流动 透地层 全回收 略储备 井驱动特点注入采出 利用永溶形气体压缩气体压缩与膨 工作气量比卤水排放处日、周、 盐穴 例高，可完理困难有可季带调 成的洞穴挤出卤水胀 全回收垫气能出现漏气蛀 采矿后彩成 充水后用 气体压缩与膨 易发生漏气 日、周、 废矿气体压缩 同上 季节调 的洞穴胀现霉。窖量小 挤出水蟪 影 第1 章绪论 地下储气库的最主要用途是保障下游用户的调峰需要，很多天然气用户在冬季和夏 季的用气量差别比较大，一般冬季的用量要高于夏季的用量，在比较极端的情况下，冬 季用量会是夏季用量的6 1 0 倍，必需通过气库进行调峰，即夏季市场用气量低于管道 输气能力时将富余气量存入地下储气库，在冬季用户用气量大于管道输送能力时，从地 下储气库中采出天然气向用户供气，称为季节调峰；除此之外，一天内不同时段的用气 量也会有不同，也需要气库进行调峰，称为日调峰。气库的另一个用途就是保障用户的 供气安全，在长输管线出现故障不能供气的情况下，可由地下储气库进行供气。 利用地下储气库进行调峰与建设地面球罐等方式进行调峰相比具有以下优点：一是 储存量大、机动性强、调峰范围广；二是经济合理，虽然一次性投资大，但经久耐用， 使用年限长；三是安全系数大，其安全性要远远高于地面设施。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外地下储气库现状 地下储气库的历史可以上溯到上个世纪初，1 9 15 年加拿大首次在安大略省w e l l a n d 气田试验储气，1 9 1 6 年美国人在纽约b u f f a l o 附近的z o a r 的枯竭气田利用 气层建设储气库，1 9 5 4 年美国首先在c a l g 的纽约城气田首次利用油田建成储气库， 1 9 5 8 年美国在肯塔基首次建成含水层储气库，1 9 5 9 年前苏联建成第一个盐层地下储气 库，1 9 6 3 年在美国克罗拉多d e n v e r 附近首次建成废弃矿坑储气库。截止到目前，全 世界大约有6 0 0 多座地下储气库，气库的总容积约5 1 0 0 x 1 0 8 m 3 ，可以进行调峰的气量约 2 5 0 0 x 1 0 8 1 1 1 3 ，其中有废弃油气藏储气库约4 3 0 座，含水层地下储气库约8 2 座，盐穴地 下储气库约4 5 座。 目前约6 0 4 座地下储气库主要分布在欧洲和北美洲，分属不同国家的1 1 0 多个公司， 其中既有储气量超千亿方的天然气上下游一体化的大型跨国公司，也有仅经营单纯l 2 个地下储气库的小公司。地下储气库在天然气的供给上发挥着非常大的作用，据统计9 8 年世界用气量约为2 2 4 0 0 x 1 0 8 m 3 ，其中约1 0 是由地下储气库周转和供应，1 9 9 9 年欧洲 用气量的2 0 是通过地下储气库供应的。1 9 9 9 年冬天，法国受气候因素的影响，市场 约5 2 的天然气供给来源于地下储气库。2 0 0 2 年初，由于天气寒冷，俄罗斯的莫斯科 等主要城市约3 0 的天然气由地下储气库供给。 由于地下储气库在调峰和保障供气安全上具有不可替代的作用，地下储气库的建设 受到许多国家的重视，天然气生产和消费大国都把地下储气库的建设作为整个天然气上 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 下游一体化利用的一个重要组成部分进行总体规划，欧美国家在不断加大储气库的建设 力度，增大储气量，除了常规的调峰应急外，已经开始研究建立天然气的战略储备。美 国已经就长输管网地下储气库建立了相关的法律加以约束，欧洲国家也有立法的趋势。 1 2 2 国内地下储气库现状 中国的地下储气库起步较晚，上个世纪7 0 年代在大庆油田曾经进行过利用气藏建 设气库的尝试，真正开始研究地下储气库是在上世纪9 0 年代初，随着陕甘宁大气田的 发现和陕京天然气输气管线的建设，才开始研究建设地下储气库以确保北京和天津两大 城市的安全供气。 到目前为止，为保证北京和天津两大城市的调峰供气，在天津市附近的大港油田利 用枯竭凝析气藏建成了六个地下储气库，即大张坨、板8 7 6 、板中北、板中南、板8 0 8 、 板8 2 8 地下储气库，这六个储气库总的调峰气量为2 0 o x l 0 8 m 3 左右，即每年通过这六个 储气库储存可以采出2 0 o x l 0 8 m 3 的天然气来平衡京津地区用气变化。目前，还将利用华 北油田的京5 8 气顶油藏和文2 3 、苏1 凝析气藏等相继开展储气库建设。 为确保“西气东输 工程的实施，保证“西气东输 管线沿线和下游长江三角洲地 区用户的正常用气，现在长江三角洲地区的江苏省金坛市的金坛盐矿和江苏刘庄气田正 着手建设地下储气库，两个储气库设计总工作气量将达到2 0 x 1 0 8 m 3 。此外，为保证忠县 一武汉天然气输气管线的安全平稳供气，正准备建设忠武线配套地下储气库。 1 2 3 金坛盐穴地下储气库现状 金坛盐穴地下储气库是西气东输管道工程的重点配套项目，主要解决长江三角洲 地区由于季节气候变化造成的不平衡用气调峰及输气管道意外故障不能正常运行的应 急供气，是西气东输在广泛收集各种建库条件资料的前提下，进行库址比选研究后优选 的建库库址。 金坛盐盆含盐面积约6 0 5 平方公里，盐矿石储量1 6 2 4 2 亿吨，岩盐层埋深8 0 0 1 2 0 0 米左右，岩盐层厚度约1 0 0 - - 2 0 0 米左右，岩盐品质好，埋深适中，适宜建设地下储气 库，是我国东部地区综合指标最佳的大型盐矿。利用金坛盐盆建设的西气东输金坛盐穴 地下储气库，设计总容量2 6 3 8 亿立方米，有效工作气量1 7 1 4 亿立方米，项目计划用 1 0 - 1 5 年时间建成6 5 口溶腔，其中新建溶腔5 7 口，利用盐矿老井腔6 口，观察井2 口。 其基本原理是通过水溶法进行盐矿开采，使用特殊的盐穴造腔工艺和现场控制方法，在 地下盐层中造出一定体积和形状的盐穴腔体，经稳定性评价、密封性试压后进行注气排 3 第1 章绪论 卤和注采运行。目前，金坛盐穴地下储气库已经开始第一批1 5 口盐穴腔体的造腔工程， 开创了我国利用地下盐穴实施能源储存的先河，此工程的建设不仅对西气东输安全平稳 供气具有实际意义，而且对今后我国研究和建设国家战略石油储备、压气蓄能发电等都 具有一定的借鉴作用和参考价值。 1 3 本文主要研究内容 根据已有的研究进展发现，在盐穴储气库腔体稳定性的数值模拟和储气库造腔工艺 等方面还存在许多问题有待进一步研究，本文以水溶造腔基本原理为基础，对以下具体 内容做详细研究： 1 、金坛储气库地质情况； 2 、储气库腔体稳定性的数值模拟； 3 、金坛储气库造腔工艺； 4 、金坛储气库造腔过程控制。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章盐穴储气库水溶造腔基本原理及概念 2 1 水溶造腔基本原理 盐穴储气库水溶造腔就是根据水溶采矿 的原理，通过采出盐水，利用在地下形成的 溶腔作为存储空间。油垫法水溶建腔是一种 单井建库方案，是利用油、水互不相溶和油 密度小，且油不溶解矿物的特性，在井内注 入三层套管程序( 中心管、中间管和技术套 管) ，从技术套管和中间管环隙注入油，使其 在溶腔顶部形成一很薄的油垫层，控制上溶， 采用自下而上的方法提升管柱，建腔初期采 用正循环( 淡水从中心管进入，中心管和中 间管环隙排出卤水) ，后期采用反循环建腔 ( 淡水从中心管和中间管环隙进入，从中心 b 反循环 图2 - 1 油垫法水溶建腔正反循环示意图 f i g 2 1p o s i t i v e a n d n e g a t i v ec y c l i n g c a r t o g r a m s o fa q u e o u sf u s i o n b u i l d i n g c a v i t yu s i n go i lp a dm e t h o d 管排出卤水) ，图2 1 所示为现场建设岩盐储气库的水溶造腔流程示意图。 岩盐腔体溶蚀过程实际上是一个复杂的流体动力学和化学动力学过程，因此可以根 据三维对流扩散过程的动力学分析，并结合流体力学基本理论和化学动力学、热动力 学原理，建立溶腔滤洗过程中溶质流体流动的物理模型，深入研究岩盐水溶机理，进 而求解岩盐综合溶解速度，研究溶腔形态变化规律。 2 2 水溶造腔的几个基本概念 岩盐储气库的建设和运行是一项需要多学科协同攻关的综合技术，同时也是一个复 杂的系统工程，仅建库方面就包括岩盐建库选址技术、盐层钻井完井技术、岩盐溶腔造 腔技术、岩盐腔体形状控制技术、岩盐腔体稳定性技术等一系列重要技术，因此涉及到 的概念也比较多，下面就岩盐储气库造腔过程的几个主要概念进行阐述： 5 第2 章盐穴储气库水溶造腔基本原理及概念 2 2 1 浓度 在岩盐储气库水溶造腔过程中，生产的卤水浓度可以用不同的方法表示：1 升卤水 中盐类物质含量( g l l ) ；卤水中盐类物质的百分含量( ) ；卤水的比重( 堙l ) ；卤 水的浓度( 波美度，。b e 。) 。 必须对卤水中盐类物质的含量进行化学分析，但这需要一定的时间。用一般比重计 可以直接测定卤水浓度，但因卤水比重一般在1 1 2 5 之间，其间隔太小导致读数误差较 大，且读的数值小，不易记忆。因此，在水溶采矿中，常用波美比重计( 简称波美表) 来直接测定卤水浓度，简明快捷。在岩盐储气库水溶建腔中，常用的浓度单位为( g l l ) 。 在1 5 。c 条件下，卤水比重、质量百分比浓度和体积浓度之间有如下的换算关系： 卤水比重与卤水中n a c i 百分含量的关系，可用下列经验公式表示： a = 1 0 5 7 d - 1 0 5 7( 2 一1 ) 式中：a 卤水中n a c i 的百分含量( ) ；d 1 5 。c 时卤水比重数。 单位体积卤水的n a c l 含量与n a c l 的百分含量的相互关系可用下式表示： r c = a 1 0 d ( 黝2 赢) ( 2 - 2 ) 式中：c 为单位体积卤水的n a c l 含量( g l ) 。 2 2 。2 溶解速度和溶解速率 溶解速度是指单位时间内在盐类矿物( 矿石) 某个方向上的溶解长度( 距离) ，单 位为c m h 或m d 。在实际生产中，由于对某个方向的溶解长度( 距离) 难以测定，常 常以溶解速率来表示。盐类矿物( 矿石) 在单位面积和单位时间内所溶解的盐量，称为 溶解速率，单位为g c m 2 s e e 或船m 2 h 。 积分法求解的岩盐溶解速率表达式为： a ，q 。= 0 0 9 7 7 c1 , d 一日一 ( g c m 2 s e c ) ( 2 3 ) a t 式中：睾岩盐溶解速率；d 扩散系数：d 粘性系数：日裸露出 讲 盐表面的高度；e 诙水与盐表面直接接触的含盐量和淡水浓度之间的差值。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 系数d 和d 在上式中均为常数。尽管它们因浓度而异，然而d 的变化不大，u 是 的自乘幂，故d 和u 的平均值均可使用。最大的线速、边界层厚度和盐溶速度均表示为 e 和x 的函数。 影响盐类矿物( 矿石) 溶解速度、溶解速率的因素有很多，既有矿石本身决定的内 在因素，又有可以调控的外部因素。影响盐类矿石溶解速度、溶解速率的内在因素主要 有：盐类矿物的水溶性；盐类矿石品位；盐类矿石组分；盐类矿石结构构造。 影响盐类矿石溶解速度、溶解速率的可以调控的外部因素主要有：溶液的运动状 态；溶液的浓度；溶液的温度和压力；溶解面的空间位置；溶剂的性质等。此 外在水中添加辅助溶剂，也可以提高某些盐类矿物的溶解速度。例如在水中加入浓度为 3 5 的烧碱( o h ) ，可提高天然碱的溶解速度和溶液浓度。 2 2 3 溶解度 盐类矿物主要是在适宜的地质和气候条件下，由海水和含盐类物质的大陆水体，经 自然蒸发浓缩结晶而成。因此，在相同的物理化学条件下，有些盐类溶于水，有些盐类 矿物难溶于水，说明各种盐类矿物溶于水的能力各不相同。一般把某种矿物溶解于水的 能力叫做溶解性，而矿物的溶解性通常用溶解度来表示。 在标准温度和压力下，单位体积溶剂( 水) 中所溶解的某种盐类物质的饱和盐量， 称为该盐类物质的溶解度，单位为g l 。不同盐类的矿物溶解度大小各不相同，从盐类 化合物类型来看，其溶解度由大到小的顺序是：氯化物 硫酸盐 碳酸盐 硼酸盐。 温度和压力的变化对溶解度的大小亦有不同的影响。 2 2 4 侧溶底角 由于盐类矿床水采溶洞中的溶液呈现垂直分带性：上部浓度低，下部浓度高；导致 溶洞上下部侧溶速度的差异性：上部侧溶速度快，下部侧溶速度慢。盐类矿石中的不溶 残渣不断沉积于溶洞底部，覆盖底部的未溶盐类矿石，最后在溶洞底部形成一个以钻井 ( 或初始硐室) 为中心，形似空心倒圆锥体的侧溶底角。溶洞的倾斜底面与理想水平面 之夹角口，叫做侧溶底角。侧溶底角的大小与盐类矿石品位有关，并影响矿石采收率。 矿石水不溶物含量低，品位高时，侧溶底角小，其溶洞底部未溶矿石损失少，矿石采收 率高；矿石水不溶物含量高，品位低时，侧溶底角较大，溶洞底部未溶矿石损失较多， 矿石采收率较低。 7 第2 章盐穴储气库水溶造腔基本原理及概念 2 3 影响水溶造腔速度的主要因素 2 3 1 岩盐溶蚀机理 在岩盐储气库水溶建腔过程中，溶解是指主要溶剂水或加其他辅助溶剂无选择 性或有选择性地溶解盐类矿物，溶解过程中不破坏有益矿物的组分。从化学动力学的观 点看，盐类矿物( 矿石) 在溶剂( 水) 中的溶解过程，可以看成是盐类矿物( 矿石) 与 溶剂( 水) 界面( 即固液相界面) 上发生的非均质反应。这种反应包括溶剂( 水) 进入被溶盐类矿物表面的扩散等基本过程。岩盐矿物溶解的动力，是溶液的浓度差。 水溶建腔流体输运过程中同时存在着扩散现象和对流现象：在溶蚀边界层内，流体 输运主要表现为溶质的扩散作用；在循环管柱附近，流体输运主要靠强迫对流作用；而 在两者之间，流体输运以自然对流为主，表现为在重力作用下的沉降扩散平衡。 设溶腔的边界为r ，则r 是一个与时间t 和轴向位置z 有关的函数，即i pr ( t ，z ) ， 工程上称为动边界问题，意即随着溶蚀过程的 进行，腔体边界不断向外扩展。 根据物质平衡原理以及f i c k 第一扩散定 律，假设紧贴岩盐固壁表面有一层极薄的边界 层，其浓度保持饱和浓度恒定不变，固壁表面 溶漓的岩盐分子，经过边界层进入扩散区，而 i n 九盐岩固b 边界层c 扩散区 图2 - 2 岩盐溶解过程示意图 f i g 2 - 1p o s i t i v e a n dn e g a t i v e c y c l i n g c a r t o g r a m so fa q u e o u s f u s i o n b u i l d i n g 边界层内的溶液浓度始终维持动态平衡，其过c a v i t yu s i n go i lp a dm e t h o d 程示意图如图2 2 所示。图2 2 中：边界层在溶腔固壁表面与扩散区之间维持动态平 衡；边界层内岩盐分子扩散进入流场，边界层内溶液浓度降低，低于饱和浓度；溶 腔固壁表面岩盐溶解，岩盐分子进入边界层，补充边界层内物质损失。边界层在溶腔固 壁表面与扩散区之间维持动态平衡。 2 - 3 2 影响水溶造腔速度的主要因素 ( 1 ) 地质条件 岩盐品位 岩盐品位影响腔体的溶蚀速度：在岩盐品位高的岩盐地层建设岩盐储气库，岩盐综 合溶解速度大，溶蚀腔体体积大，可缩短岩盐储气库的水溶造腔时间；岩盐储气库采盐 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 速度大，能更好的满足采卤要求。表2 1 给出了岩盐矿石品位与溶解速度关系表： 表2 - 1 岩盐矿石品位与溶解速度关系表 f i g 2 - 1p o s i t i v ea n dn e g a t i v ec y c l i n gc a r t o g r a m so fa q u e o u sf u s i o n n a c i 品 侧溶速度 溶液最终浓度 取样地点试验方法 测试单位 位( )( c m d ) ( 。b e ) 四川罗城盐矿室内静溶法9 9 5 03 5 2l o 1 四川五通桥盐厂 青海达改盐矿室内静溶法7 8 7 42 4 01 0 中科院盐湖所 云南平浪盐硐室水溶法 2 9 4 46 7 22 2 云南- 平浪盐矿 矿( 动溶) 由表2 一l 可以看出：矿石品位越高，水与盐类矿物的溶解接触面积越大，溶解速度 越快，溶解速率越大。不同岩盐品位的地层条件下岩盐储气库水溶建腔溶腔形态不同， 岩盐品位影响岩盐储气库水溶建腔形态的发展变化，选择岩盐品位高的地层进行岩盐储 气库造腔，有利于腔体形态的控制。 另外，盐层厚度越大，均质性越强，则溶腔形状越规则，建腔越有利，而且溶腔形 状易调整；对于较薄的盐层，建腔难度增大；夹层的存在，破坏了溶腔边界的连续性， 不利于建腔和腔体形态控制。此外，岩盐矿物本身的水溶性、岩盐矿物的组分及岩盐矿 石结构构造对于溶腔速度都有一定影响，但这些因素都不是影响水溶造腔的主要因素。 溶解面( 岩盐层表面) 的空间位置 水溶造腔过程中，腔体内的溶液浓度从上到下是由低到高分布的。因此，在腔体的 不同方向上岩盐层表面的溶解速度不同。一般情况下，腔体的上溶速度约为侧溶速度的 2 倍，底溶速度最小，接近于0 。这是因为腔体底部溶液浓度最高，一般接近于饱和浓 度，而且不溶物残渣沉淀在底部也阻碍了底部层面进一步的溶解。岩盐腔体内不同方向 的溶解速率可以参考表2 2 的实验结果。 表2 - 2 岩盐腔体内不同方向的溶解速率 t a b l e2 - 2 d i s s o l v i n gr a t e so fd i f f e r e n td i r e c t i o n si nh a l i t ec a v i t y 溶解速率( k g m 2 h ) 溶液浓度( 。b e ) 上溶速率侧溶速率底溶速率 04 1 42 1 26 o 1 02 6 o1 42 o 2 0 4 12 50 5 9 第2 章盐穴储气库水溶造腔基本原理及概念 溶解面在空间所处的位置可以用溶解面与理想水平面夹角的度数来表示。前苏联人 i i a 库列和b m 柯罗莱夫的试验资料表明，岩盐层溶解面与水平面的夹角大小与盐溶速 率关系密切，当夹角为1 8 0 度( 也即上溶) 时，岩盐溶解速度最大；当夹角等于或小于 3 5 度时，溶解速率明显降低：当夹角为0 ( 即底溶) 时，溶解速率最小。这一研究结果 在表2 中可以得到验证。同时，i i m 杜德科根据实验资料研究认为，岩盐溶腔中径向的 溶解速度( 即侧溶速度) 一般不超过o 1 0 2 5 m d ；而自下向上的溶解速度( 即上溶速度) 可达o 2 0 2 5m d ：但是自上向下的溶解速度( 即底溶速度) 明显降低。因此，在水溶 造腔过程中，主要利用侧溶和上溶。 溶液浓度 溶液浓度的高低对岩盐矿物的溶解速度和溶解速率影响较大。浓度低时，溶解速度 快，溶解速率大；浓度高时，溶解速度慢，溶解速率小。以岩盐为例，溶液浓度在2 2 。b e 以下时，溶解速率与溶液浓度成反比，即溶液浓度越低，岩盐的溶解速率越大；随着溶 液浓度的上升，溶解速率逐渐变小。当溶液浓度达到2 3 。b e 以上，溶解速率成倍减小， 直到溶液达到饱和，溶解速率变为0 。岩盐的溶解速率与溶液浓度关系见表2 3 的实验 结果。 表2 - 3 岩盐溶解速率与溶液浓度关系表 溶液浓度( 。b e 。) o 5l23 468l o 1 21 4 溶解速率( k g m 2 h ) 3 9 3 2 9 62 9 22 8 82 8 42 7 62 6 82 6 22 5 52 4 8 溶液浓度( 。b e ) 1 61 82 02 22 3 2 3 52 42 4 12 4 22 4 3 溶解速率( k g m 2 - h ) 2 4 。12 3 42 2 62 1 21 7 28 2 7 6 6 85 95 0 此外，溶剂的性质、溶液的运动状态及温度和压力对岩盐的溶解速率也有不同程度 的影响，但是总的来说影响不大。 ( 2 ) 生产条件 循环方式 在腔体溶蚀初期，循环方式对溶腔形状有影响，采用正循环方式进行，获得腔体形 状为上小下大的梨形；采用反循环方式进行滤洗，获得腔体形状为上大下小的倒梨形； 随着腔体溶蚀体积的增大，流场作用减小，流场作用区域以外的空间，因重力分层作用 而出现的浓度剖面开始起作用，此时正、反循环方式对溶腔形状的影响差别不大，都是 上大下小的倒三角形。正循环时，由于注入口在下，部分淡水从中间管直接采出而没有 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 起到应有的改变卤水浓度效果，溶蚀效率较低i 反循环时出口在下，排出的卤水浓度高， 较正循环溶蚀效率高。因此，在水溶采卤建设地下储气库过程中合理使用正反循环，可 以有效控制卤水浓度分布，从而控制溶腔速度和溶腔形态。 排量 采用较大的排量溶蚀，溶腔内卤水平均浓度较低，溶蚀速度较快，溶腔建设周期短； 相反，采用较小的排量溶蚀，溶腔内卤水平均浓度较高，溶蚀速度较慢，溶腔建设周期 长。 排量改变腔体内卤水浓度剖面。壁面与管柱之间卤水存在浓度剖面，由于岩盐分子 在横向上的扩散速度大于纵向上因重力作用而产生的沉降速度，因此在该区域，卤水浓 度在横向上很快达到均匀而在纵向上形成一定的浓度梯度剖面，根据物质平衡原理， 浓度剖面与排量有关，在一定的排量下，卤水浓度剖面也保持稳定，当采卤量增大时， 溶腔内卤水浓度降低，卤水浓度剖面曲线向左移动，从而导致溶腔壁面边界处浓度梯度 增大，岩盐溶蚀速度加快，引起溶腔内卤水浓度升高，卤水浓度剖面曲线向右移动，当 溶蚀量和采盐量相等时，卤水浓度剖面维持动态平衡。 排量越大，溶腔内卤水平均浓度越低，溶蚀速度随之也越快，溶腔建设周期就越短， 因此在地面泵压允许的情况下，应采用大管径，高排量。根据物质平衡原理，在采卤浓 度接近饱和浓度的情况下，浓度剖面与排量有关，一定的排量对应一定的卤水浓度剖面， 随着排量增大，溶腔内卤水浓度降低，卤水浓度剖面曲线向左移动。 管柱组合 在控制溶腔形状的工艺参数中，油垫的控制对腔体形态变化的影响最大，采用自下 而上逐级提升油垫的方法，即自下而上对盐层进行分段溶蚀，控制腔体形态，改变油垫 的位置，可以有效控制腔体形态；在溶蚀过程中要控制油垫位置和两口距，油垫的位置 一般位于中间管口上1 米，油垫的提升随中间管变化而变化，一般为7 9 次为宜，两 口距( 中间管和中心管的距离) 应逐步加大；中间管的位置在溶蚀过程中是决定溶腔最 大半径的主要因素，溶腔的形态受中间管位置的影响很大；中心管位置的变化对溶腔形 态的影响很小。 在建腔初期，中心管位置和油垫位置对溶腔的影响较大；建腔中期，中间管位置对 溶腔影响逐步加强，成为影响溶腔形态变化的主要因素，中心管位置的影响变小；建腔 后期，油垫位置成为最主要的影响因素，中间管位置对溶腔体积增加不再产生影响。 第2 章盐穴储气库水溶造腔基本原理及概念 注采管柱的相对位置对溶腔速度及腔体形态都有重要影响，调整注采点位置和两口 距，实际上就是改变浓度场和速度场中源汇项的相对位置，通过改变速度场来改变浓度 场，进而影响溶腔形态：首先，由于质量力场的作用，使得垂向浓度场是一个与溶腔高 度有关的分布函数，所以采集卤水的出口管柱位置不同，也将导致采卤浓度的变化，实 践证明，采集卤水浓度越高，腔体溶蚀越快。因此，采卤管口应尽量靠近溶腔底部，此 时采卤浓度接近饱和浓度。管口距离溶腔底部高度，以底部沉降物不堵塞采卤管柱为原 则；其次在溶蚀过程中，要不断提升油垫的位置，同时改变中心管和中间管的位置，增 加两口距，扩大对流作用区域，加快溶腔速度。 2 4 本章小结 在本章中，首先介绍了水溶造腔技术的基本原理。就岩盐储气库造腔过程的几个主 要概念如浓度、溶解速度等参数进行了阐述。认为岩盐溶蚀机理是在岩盐储气库水溶建 腔过程中，水或加其他辅助溶剂无选择性或有选择性的溶解盐类矿物，溶解过程中不破 坏有益矿物的组分而形成的。影响水溶造腔速度的主要因素有：岩盐品位、溶解面的空 间位置、溶液浓度、循环方式、排量和管柱组合。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第3 章金坛储气库地质情况 3 1 造腔工程地质概况 3 1 1 构造概况 金坛盐盆所在的金坛构造位于扬子地台的东北部，面积约5 2 6 k m 2 ，是苏南隆起区 常州坳陷带中的次一级构造。金坛盆地夹持于茅山推覆带和上黄- 大华隆起带之间， 北临丹阳盆地、陵口盆地，南为南渡盆地，形成一个北东走向的新生界沉积盆地。金坛 岩盐矿床平面形态呈肾状分布，含盐面积6 0 5 k i n 2 ，岩盐矿石总储量1 6 2 4 2 x 1 0 8 t 岩盐 层埋深8 0 0 1 2 0 0 m ，岩盐层厚度6 7 8 5 m - - 2 3 2 2 9 m 。盐层的分布在平面和纵向上都比较 稳定，岩盐层分布较平缓，略有起伏。岩盐层最发育区域位于东北部陈家庄矿区及南部 茅兴矿区，分布较稳定，岩层厚度大。 3 1 2 地层概况 元古界、古生界和中生界地层出露在西部地区，新生界除茅山东麓有零星的下第三 系出露外都被第四系覆盖，该区普遍缺失上第三系盐城组地层。第四系松散堆积覆盖全 区。下第三系自下而上由阜宁组、戴南组、三垛组组成，岩盐层分布于阜宁组上部。 本区盐层普遍发育且埋深浅。金坛构造陈家庄一马家庄和上白唐地区盐层厚度大 ( 1 8 0 , - - 2 0 0 m ) 、品位高( 含n a c l8 0 以上) 、全区夹层总厚度占盐层总厚度1 1 1 4 顶底 板稳定且突破压力高、埋深适中( 9 0 0 , - , 1 1 0 0 m 左右) ，是建设储气库的理想盐层。 3 2 金坛盐盆现有井腔情况 据统计，该区现已钻井4 0 多口，见图3 1 ，其中已下套管进行采卤的井2 5 口，但 套管尺寸都较小( 一般为1 3 9 7 r a m ) ，分布于茅兴、陈家庄、西阳、岗龙和荣炳地区， 盐井开采时间最长的达1 3 年以上。 3 3 单腔设计尺寸及地质结构 根据地质构造和岩盐分布情况，设计的造腔方式为单井单腔，目的层深度为第三系 阜宁组，腔体顶部距完井生产套管鞋约1 5 m ，距盐层顶部不小于3 0 m ，腔体底部距盐层 底部约2 0 m 。单腔造腔体积3 2 万m 气有效腔体体积2 5 万m ? ：腔体顶部高3 5 m ，直径 约3 5 m ；盐腔主体高6 5 m ，直径约7 0 m ；不溶物底坑高3 5 m ，直径约3 5 m 。完腔原则为 1 3 第3 章盒储气库地质情况 实现设计的腔体容积，且腔体应通过密封性测试，见图3 - 2 。 露墨文 j 叠b l j i * - i 一 厨 图1 金坛盐盆采盐井腔分布图 f i g 1 t h ep m f f l e o f p r o d u c i n gs a l t w e l l 叫v i t y hj i n t a ns a l t d e p o t 3 4 地层分层及夹层位置 3 4 1 地层分层 含盐系地层形成于下第三系近海陆相断陷盆地中，是以碎屑化学岩型沉积为特征的 岩盐矿床。盐类沉积层以视电阻率值相对增高自然伽玛值相对降低为主要标志。上部、 下部以淡化层为主体中部为岩盐矿层。纵观阜宁组四段含盐系地层，自上而下由淡化 一威化- 淡化演化进程。如金资1 井井段9 4 49 1 - 1 1 8 57 1 米，总厚度2 4 08 米。综合解 释岩盐1 0 39 6 m 2 4 层，膏岩盐5 8 2 m 2 层，含泥岩盐4 72 4 m 1 9 层，含膏岩盐1 0 4 m l 层，如图3 3 所示。 3 42 地层的夹层位置 金坛构造陈家庄一马家庄和上白唐地区泥质夹层总厚度约占盐层总厚度1 2 左右， 如金资1 井盐层段为9 8 72 1 1 7 0 米，厚度为1 8 2 8 m ，其中共存在1 6 层泥质夹层t 累 计厚度2 54 米，泥质夹层所占比例1 39 ，其中堆大夹层厚度4 2 米，最小夹层厚度o8 m ， 泥质夹层含量变化为1 0 - 1 0 0 ，详见表3 1 。 1 4 中宣石油大学( 毕末) 碗学位论文 i 一 - 一 清水 盐水 罔3 - 2 腔体形状 f i g 3 - 2t h e d i a g r a mo f “t ys h a p e s l 增 蟹 i i ji 誊 詈 囊 东 塞 i 目善 l 聂 盎 * l 恻； 四面 醯 盛 嚣 图3 - 3 金瓷1 井地层及完井简图 3 - 3t h ed i a g r a mo fs t r a t u ma n dw e l lc o m p l e t i o no f h o 1w e l l 第3 章金坛储气库地质情况 表3 - 1 金资1 井盐层段泥质夹层统计表 层号顶深底深厚度泥质含量孔隙度 l9 8 3 29 8 4 81 61 00 21 0 0 91 0 0 9 8o 81 82 3 1 0 2 9 81 0 3 1 21 a1 20 4 1 0 4 5 21 0 4 71 82 35 51 0 5 91 0 6 1 22 23 27 6 1 0 6 8 21 0 6 9 41 2 4 08 71 0 7 8 41 0 7 9 4l 5 0 9 81 0 8 61 0 8 8 22 2 1 0 0 2 6 91 0 9 3 。6 1 0 9 4 6l3 04 1 01 1 3 2 41 1 3 3 8l - 41 0 02 0 1 l1 1 4 51 1 4 6 21 27 08 1 21 1 4 81 1 4 9 21 27 0 8 1 31 1 5 2 41 1 5 6 64 2 1 0 0 2 0 1 41 1 5 8 41 1 5 9 8 1 49 51 4 1 5 1 1 6 2 1 1 6 3 4 1 46 03 1 61 1 6 6 61 1 6 81 47 04 3 5 本章小结 本章首先介绍了金坛储气库的工程地质情况。金坛盐盆所在的金坛构造位于扬子地 台的东北部，是一个新生界沉积盆地。盐层的分布在平面和纵向上都比较稳定，而且岩 盐层分布较平缓，略有起伏。岩盐层最发育区域位于东北部陈家庄矿区及南部茅兴矿区， 分布较稳定，岩层厚度大。而且该区盐层普遍发育且埋深浅。据统计，该区现已钻井4 0 多口。根据地质构造和岩盐分布情况，设计的造腔方式为单井单腔。该地层上部、下部 以淡化层为主体，中部为石岩盐矿层。最后介绍了地层的夹层的位置，如金资l 井盐层 段为9 8 7 2 _ 1 1 7 0 米，厚度为1 8 2 8 m ，其中共存在1 6 层泥质夹层，累计厚度2 5 4 米。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第4 章储气库腔体稳定性的数值模拟 地质力学研究的目的是评价金坛储气库的安全运行条件及基本几何特征。该评价是 在前面现场测井分析、岩石力学实验分析的基础上进行的。适用于模拟均质热弹粘塑 性盐岩层中球形结构的一维软件，用于对运行参数的验证。在一维数值模拟得到的参数 的基础上，用二维轴对称有限元模型来检查非均质性对盐体所造成的影响，以及考察相 邻盐穴之间的相互影响。储气库的几何特征以及所推荐的安全运行条件，是在数值模拟 计算结果的基础上给出的。 4 1 基本数据 4 1 1 远场主应力 由于盐的蠕变特征，人们普遍认为，盐体中的远场主应力处于静岩状态，其大小与 盖层的重量相当。 对于非岩盐，远场水平主应力可能不同于静岩压力，在构造活跃的地层区更是如此。 由于没有对金坛地区专门进行现场考察，所以在本报告中我们假定其非盐层的应力状态 处于静岩压力状态。 根据从金资l 井所