夾層對鹽巖儲氣庫注采運行穩定性影響研究*

張華賓，高 鍇，垢艷俠，冉莉娜，李 康

(1.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.中國石油勘探開發研究院，北京 100083)

0 引言

鹽巖被公認為能源儲存的理想場所[1]。我國鹽礦資源豐富，但普遍以層狀為主，鹽層中含夾層較多，夾層厚度不等[2-3]，特別是對于利用廢棄老腔改建儲庫，夾層不但影響到儲氣庫的穩定性，并且多年采鹵沉渣占據了腔底的大量空間影響到儲氣庫的儲氣能力。因此，研究夾層對儲氣庫穩定性和可用性的影響具有重要意義。

國內外學者針對層狀鹽巖儲氣庫的穩定性評價進行大量研究。20世紀80年代，鮮學福等[4]研究層狀巖體不同于其他巖體的變形和破壞特征；2006年，班凡生等[5-6]通過對考慮夾層的鹽巖儲氣庫水溶建腔進行動態模擬，發現采用合理的腔體形態控制及夾層破壞工藝，能夠在含有多夾層的鹽層中建造符合要求的鹽巖儲氣庫；尹雪英等[7]基于三維Cosserat介質擴展本構模型[8]計算分析了云應地區的3口鹽腔，發現層狀鹽巖體中剛度、強度較大的泥巖夾層具有強化作用；2011年，王同濤[9]利用FLAC3D有限元數值模擬軟件，針對國內某多夾層鹽巖儲氣庫建立不同形態鹽巖儲氣庫三維數值計算模型，并對計算結果進行對比，優選出最佳方案；馬林健等[10]通過分析不同初始內壓失控情況下鹽巖儲氣庫應力狀態、變形和損傷破壞規律，發現溶腔建造時硬夾層總是先于腔體形成明顯的屈服帶；2012年，張強勇等[11]通過層狀鹽巖儲氣庫群三維流變地質模型試驗研究了注采氣速率、運行壓力及儲氣庫間距等風險因素對儲氣庫庫群運營安全穩定的影響；2015年，Moghadam等[12]采用拉格朗日有限元法建立了能夠描述鹽巖蠕變過程中剪脹、短期破壞和長期破壞的彈粘塑性本構模型，通過該模型發現與鹽巖相比，夾層的存在對儲氣庫的穩定性有顯著的影響，特別是當夾層與腔體表面接觸時。

綜上，夾層物理力學特性對鹽巖儲氣庫造腔及運行的圍巖穩定性的影響已受到廣泛關注。然而儲氣庫長期運行受夾層幾何參數影響的相關文獻還少有見到。因此，本文通過分析單一夾層的厚度、位置及夾層數量對儲氣庫注采運行過程的影響規律，研究儲氣庫安全穩定性對夾層幾何參數的敏感程度，優化儲氣庫建庫設計位置，以降低夾層所導致的儲氣庫圍巖長期蠕變變形及鹽腔收縮的不利影響。

1 儲氣庫數值模型及夾層幾何參數對比方案設計

1.1 儲氣庫數值模型及邊界條件

為研究夾層幾何參數對鹽巖儲氣庫注采運行穩定性的影響，以某擬建層狀鹽巖地下儲氣庫為工程背景，建庫段地層中夾層分布不均，厚度1～14 m不等。

基于該工程的實際地質條件，通過WinUbro軟件造腔模擬并利用FLAC3D建立三維有限元數值模型，腔高150 m，最大直徑76 m，腔體有效體積33.6×104m3。XY平面范圍800 m×800 m，豎直面為Z軸方向。上覆巖層的重量等效為立方體模型的上表面荷載，根據地層實際厚度及地層平均密度(2.49×103kg/m3)計算等效荷載。模型立方體下表面受Z方向單向約束，四周縱表面受垂直于表面的法向簡支約束。

1.2 夾層幾何參數方案設計

為了優化儲氣庫與夾層的相對位置，通過變化夾層x1(厚度)、x2(數量)、x3(位置)，形成如圖1所示的12種儲氣庫對比方案腔體結構模型示意圖。考慮腔體最大直徑處夾層對儲氣庫穩定性有較大影響[13]，本文選定該情況為基準模型。數值結果利用Tecplot軟件進行后處理。

圖1 儲氣庫腔體結構模型示意Fig.1 Schematic diagram for cavity structure model of gas storage

1.3 計算參數的選取

該庫區鹽層主要由鹽巖、含鹽鈣芒硝等巖層構成。由室內常規蠕變試驗確定巖石力學參數見表1。采用FLAC3DCpower蠕變模型開展鹽巖儲氣庫長期穩定性分析，該模型包含Norton和Mohr-Coulomb模型，穩態蠕變率服從于Norton能量法則，其中，Norton冪指數模型的標準形式如式(1)所示：

表1 巖石力學參數Table 1 Mechanical parameters of rock

(1)

根據文獻[14]及金壇儲氣庫運行經驗，設上限運行壓力梯度不超過1.7 MPa/100 m、最小與最大運行壓力的經驗比值范圍是6∶1～2∶1。因此，儲氣庫的運行壓力范圍可為4～12 MPa。連續循環注采30 a，注采運行循環1 a為1個完整循環周期，每年按365 d計算，1個注采周期內，包括1次加壓注氣(153 d)、1次降壓采氣(120 d)和2次恒壓關井(46 d)，采氣速率0.052 3 MPa/d。

2 夾層幾何特征對儲氣庫穩定性的影響

2.1 鹽腔圍巖最大主應力變化規律

儲氣庫運行過程不允許圍巖出現拉應力(即最大主應力大于0)的情況。圖2為不同方案運行30 a采氣后的圍巖最大主應力云圖。由圖2可知，儲氣庫運行過程中，鹽腔圍巖主要受壓應力作用，呈明顯的層狀擴散分布，圍巖所受壓應力較小，向外隨距腔體洞壁距離的增加而增大，夾層與鹽巖層交界面處應力發生突變。由圖2(a),(b)可知，應力突變范圍隨夾層厚度的增加而擴大，應力突變位置隨夾層數量的增加而增多。夾層厚度、數量的增加促使圍巖壓應力增大進而有效抑制拉應力的產生。由圖2(c)可知，鹽腔周圍所受壓應力隨夾層到腔體頂板距離的減小先減小后增大，與x1,x2方案相比變化不顯著。

圖2 不同方案運行30 a采氣后最大主應力Fig.2 Maximum principal stress in different schemes after operating 30 years

2.2 鹽腔圍巖變形規律

圍巖變形尤其頂板的沉降是反映鹽巖儲氣庫穩定性的1個重要指標。圖3為不同方案運行30 a采氣后的圍巖合位移云圖。由圖3可知，儲氣庫運行30 a后，圍巖變形整體呈層狀擴散分布，向外隨距腔體洞壁距離的增加而減小，最大位移發生在儲氣庫洞壁上部圍巖處。由圖3(a),(b)可知，鹽腔位移量隨夾層厚度、數量的增加呈mm級減小。由圖3(c)可知，鹽腔位移量隨夾層到腔體頂板距離的減小呈mm級增大。

圖3 不同方案運行30 a采氣后圍巖合位移Fig.3 Total displacement of surrounding rock in different schemes after operating 30 years

表2為不同方案運行30 a的腔體頂板位移。由表2可知，不同方案頂板的變形隨時間的推移而增大且在采氣時大于注氣情況。腔體頂板位移隨夾層厚度、數量的增加而減小，這是由于夾層的層狀沉積結構具有較高的強度，其存在對鹽巖具有有效約束作用，而層狀沉積結構數量增加，又迫使腔體圍巖變形減小，進而有利于儲氣庫的穩定性。另外，腔體頂板位移隨夾層到腔體頂板距離的減小而增大。

表2 不同方案儲氣庫頂板位移隨時間變化Table 2 Change of roof displacement of gas storage with time in different schemes m

2.3 鹽腔體積變化規律

鹽巖儲氣庫腔體的體積收縮率是關系到儲氣庫可用性的重要參數。表3為不同方案運行30 a的鹽腔體積收縮率。由表3可知，各方案運行30 a后體積收縮率均小于20%，可滿足儲庫穩定性的經驗要求[15]。鹽腔體積收縮率隨時間的推移而增大且在采氣時大于注氣情況。鹽腔體積收縮率隨夾層厚度、數量的增加而增大，這是由于夾層與鹽巖的剛度比過大，導致2種巖體在相同外界應力作用下，變形極度不協調，隨著夾層厚度、數量的增加，這種不協調現象加劇，使得整個儲氣庫的體積收縮率增大。另外，鹽腔體積收縮率隨夾層到腔體頂板距離的減小而減小，與x2方案相比變化幅度較小。這是由于單個薄夾層對鹽巖蠕變的抑制效果不明顯。

表3 不同方案儲氣庫體積收縮率隨時間變化Table 3 Change of volume shrinkage rate of gas storage with time in different schemes %

3 儲氣庫注采過程穩定性幾何參數敏感度分析

利用敏感性分析方法[16]比較夾層幾何參數對儲氣庫注采過程穩定性的影響程度。采用單因素敏感性分析法繪制F/F*和xi/x*(i=1，2，3，…，n)曲線(見圖4)，橫坐標xi/x*表示各模型的幾何參數與基準方案之比，縱坐標F/F*表示各模型的系統特性(腔體頂板最大主應力、腔頂位移、鹽腔體積收縮率)與基準方案之比，曲線斜率的絕對值定義為敏感度系數。敏感度系數是反映各幾何參數對儲氣庫注采過程穩定性的影響程度，敏感系數越大，說明該參數對儲氣庫注采過程穩定性影響越大。

圖4 敏感度系數擬合曲線Fig.4 Fitting curves of sensitivity coefficient

由圖4可知，當僅考慮某一系統特性的影響時：腔體頂板最大主應力、腔頂位移受夾層厚度x1的影響顯著；鹽腔體積收縮率受夾層數量x2的影響較大。綜合考慮各幾何參數的敏感度系數排序為：夾層厚度x1>夾層數量x2>夾層位置x3；夾層位置x3相對于其他幾何參數對儲氣庫注采過程穩定性的影響程度較小。

4 結論

1)鹽腔圍巖所受壓應力、圍巖變形、鹽腔體積收縮率對夾層厚度、數量的反應規律一致。鹽腔圍巖所受壓應力隨夾層厚度、數量的增加而增大，夾層與鹽巖層交界面處突變更加明顯、突變范圍擴大，鹽腔位移量隨夾層厚度、數量的增加呈mm級減小，鹽腔體積收縮率隨夾層厚度、數量的增加而增大。

2)鹽腔圍巖所受壓應力隨夾層到腔體頂板距離的減小先減小后增大(kPa級)，鹽腔位移量隨夾層到腔體頂板距離的減小呈mm級增大，鹽腔體積收縮率隨夾層到腔體頂板距離的減小而減小，與x2方案相比變化幅度較小。

3)儲氣庫長期運行對不同夾層幾何參數敏感性也不同。當僅考慮某一系統特性的影響時：腔體頂板最大主應力、腔頂位移受夾層厚度的影響顯著，鹽腔體積收縮率受夾層數量的影響較大。綜合考慮各幾何參數的敏感度系數排序為：夾層厚度、夾層數量、夾層位置。

4)考慮到造腔過程巨厚夾層垮塌的施工難度、同時避免沉渣過多而減少儲氣庫有效儲氣空間、降低長期運營風險，建議在儲氣庫設計過程中優先考慮避開建庫段厚夾層、盡可能選擇夾層數量較少的地層并且儲氣庫頂板附近盡可能不出現夾層。