鹽宜鐵路油氣田區域選線方法研究

許朝帥 陳 麗 袁宏亮

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

1 項目概況

鹽泰錫常宜鐵路（以下簡稱“鹽宜鐵路”）是江蘇省鐵路網中南北向干線鐵路，北起蘇北鹽城，經蘇中泰州，過蘇南無錫、常州，南止于無錫轄下的宜興，是長三角地區北翼的縱向骨架之一，向北可溝通沿海通道間接輻射蘇北連云港及山東等北部沿海地區，向南可溝通杭州樞紐間接輻射東部沿海地區［1-2］。鹽宜鐵路是國家高速鐵路網的重要組成部分，同時也是策應“交通強國”國家戰略，推進長三角城市群區域一體化發展，提高經濟聚集度、區域連接性的需要。

鹽城至泰州段是鹽宜鐵路的重要組成部分，線路北承連鹽鐵路、徐宿淮鹽鐵路，中聯北沿江高速鐵路、蘇南沿江城際鐵路、滬寧城際鐵路［3］。

鐵路沿線油氣資源豐富，鹽城—泰州段沿線主要分布蘇北盆地高郵凹陷瓦莊油田、周莊油田以及溱潼凹陷茅山、邊城、北漢莊油田等。截至2021年，勘探開發46年的江蘇油田累計生產油氣當量已超過 5 000萬t，其中原油4 908萬t、天然氣16.5億m3。

根據現場調查，鐵路沿線油氣井眾多。油氣井可能通過井噴爆炸產生的爆炸波、爆炸火球以及油氣開采引起的地面沉降，對鐵路施工及運營安全造成影 響［4-5］，因此本文主要從油氣井角度綜合研究選線設計。

2 線路與石油設施間安全距離分析

為分析總結鐵路線路與石油設施間的安全距離，利用數值仿真方法建立了油氣開采沉降模型、爆炸波傷害效應模型和爆炸火球傷害效應模型，為后續線路走向提供數據樣本參考。

2.1 油氣開采沉降模型

2.1.1 數值建模

采用Plaxis對石油開采引起的地面沉降進行數值分析。開采井穿越覆蓋層以及儲層上覆巖層進入到儲層中，由于模型具有對稱性，以開采井為對稱軸進行數值模型的建立。數值模擬共分為4種工況，分別對應不同的抽采深度，根據現場調查及資料收集，研究區內最淺的開采井深約800 m，區內儲層深度普遍在 1 000～2 000 m范圍內，故建立4種模型分別對應開采深度800 m、1 200 m、1 500 m以及2 000 m。對應的模型尺寸如表1所示，計算參數如表2所示。模型地層設置從上至下分別為覆蓋層、儲層上覆巖層、儲層、儲層下伏巖層發，其中覆蓋層厚度為150 m、儲層厚度為25 m。

表1 模型尺寸表（m）

表2 計算參數表

2.1.2 模擬結果及分析

本文主要研究油氣開采對土地沉降的影響，因此，僅分析開采過程中土體豎向位移的變化。通過 4種工況下土體的豎向位移云圖分析可知，采井底部沉降量較大，開采井井口地表沉降量較小，距離開采井最遠的模型右邊界處地表幾乎無沉降。井口地表和遠離井口地表的沉降量如表3所示。由表3可知，沉降量均為毫米級沉降；隨著開采深度的增加，井口沉降量幾乎無變化；距離井口越遠，地表沉降量越小；研究區由油氣開采所引發的地面累計沉降量最大值為2.9 mm。

表3 沉降量表

2.2 爆炸波傷害效應模型

鹽城1號井位于研究線路起點鹽城市北東向約 21 km，屬鹽城凹陷朱家墩背斜，線路所涉及的鹽城凹陷、高郵凹陷與溱潼凹陷同屬蘇北盆地，油氣地質條件基本相同。因此采用鹽城1號井進行井噴事故影響范圍計算，其結果具有代表性，可說明研究區內油氣井井噴事故最不利的影響范圍。

為了得到井噴時發生爆炸的安全距離，采用蒸汽云爆炸波傷害效應模型模擬爆炸波傷害效應。對于多數烴-空氣混合物，蒸氣云的初始半徑與爆炸長度之比近似為0.18。采用最小二乘法對蒸氣云爆轟特性曲線進行擬合［5-6］，可得到爆炸波正相參數的如式1所示。

式中：Ps——沖擊波正相最大超壓（Pa）；

Pa——大氣壓力，1.013 25×105Pa；

R——目標到蒸氣云中心的距離（m）；

L0——爆炸長度，L0=（E0／Pa）1／3（m）；

E0——爆源總能量，E0=αWcQc（J）；

α——參與蒸氣云爆炸的有實際貢獻的燃料占 泄漏燃料的百分比，平均值為4%；

Wc——蒸氣云對爆炸沖擊波有實際貢獻的燃料質量（kg）；

Qc——燃料的燃燒熱（J／kg）。

根據人員因爆炸而死亡概率的不同，將爆炸危險源周圍由里向外依次劃分為以下4個區域：死亡區、重傷區、輕傷區和安全區。安全區表示該區內的人員即使無防護，絕大多數人也不會受傷，死亡的概率則幾乎為零。該區內徑為Re0.01，外徑為無窮大。內徑Re0.01表示外邊界處耳膜因沖擊波作用而破裂的概率為1%，要求的沖擊波峰值超壓為17 000 Pa。根據現場調查，安全距離計算參數如表4所示。由蒸汽云爆炸波傷害效應模型計算可以得出鹽城1號井噴時發生爆炸的安全距離為119 m。

表4 鹽城1號井爆炸波模型安全距離表

2.3 爆炸火球傷害效應模型

根據安文書［7］等推導的熱輻射傳播公式，如式（2）所示，進行安全距離的求解。通過High推出的火球模型，推導出普適火球模型，如式（3）、式（4）所示，并將式（3）帶入式（2）中，得到式（5）。

式中：Q——熱劑量（J／m2）；

R——到火球中心的距離（m）；

B——常量（2.04×104）；

F——常量（161.7）；

D——火球直徑（m）；

t——火球持續時間（s）；

W——火球中消耗的燃料質量（kg）；

θ——火球溫度（K）。

根據熱劑量傷害準則，在瞬間火災條件下，傷害程度只取決于接受到的熱劑量，各傷害效應的熱劑量臨界值如表5所示。

表5 瞬間火災作用下熱劑量傷害準則表

蒸氣云爆炸的火球溫度在2 200 K左右，因此取θ=2 200 K，將熱劑量Q=172 kJ／m2代入式（5）中得出爆炸火球的輕傷距離公式，如式（7）所示。通過式（7）可計算出安全距離，根據現場資料計算得出的W=9 896.094 kg帶入式（7），最后得出安全距離R=141 m。

式中：W——蒸氣云爆炸火球中消耗的燃料質量（kg）。

2.4 安全距離綜合分析

開采深度從800 m到2 000 m時，均為毫米級沉降，且隨著開采深度的增加，井口沉降量幾乎無變化；距離井口越遠，地表沉降量越小；隨著開采深度的增加，沉降漏斗直徑有增加的趨勢。根據相關規定，研究區由油氣開采所引發的地面沉降發育程度為弱，地質災害危害程度小，綜合評價地面沉降的地質災害危險性等級為危險性小。基于研究區內鹽城凹陷朱家墩背斜鹽城1號井，利用蒸汽云爆炸波傷害效應模型和爆炸火球傷害效應模型分別計算鉆井發生爆炸和火災的安全距離，結果顯示鹽城1號井發生爆炸時安全距離為119 m，發生火災時安全距離為141 m。結合仿真計算結果及相關規范，綜合推薦擬建高速鐵路與油氣井最小安全距離不小于150 m。

3 興化至泰州段線路走向介紹

工程選線主要受沿線地形地貌、不良地質條件、經濟據點和環境敏感點分布的影響。在興化至泰州段，沿線分布眾多采油井和油氣管線，以采油井為線路走向的主要控制物，根據上文結論對線路走向進行科學比選。

3.1 沿線油田現場調研

在收集擬建鐵路沿線油田的基礎上，對擬建高速鐵路沿線的地質情況，油氣田生成情況進行了現場調查，得出主要結論如下：

（1）線路位于蘇北盆地內，盆地內有多個石油礦區。線路穿越的高郵凹陷主要目標儲層為古近系三垛組至阜寧組地層，埋深普遍大于800 m，含硫量低。

（2）由于地表土層厚度大，區內的斷層未連通地表，儲層內的天然氣沒有良好的向上部地層運移的通道。

（3）線路穿越的油氣田氣體主要成分為甲烷（CH4），硫化氫（H2S）含量低。

3.2 線路方案說明

充分考慮區域內油氣井分布情況，利用上述研究結論，結合工程設置條件，在盡可能繞避油氣井并保證線路順直的基礎上詳細比選了經華莊村方案和經劉莊村方案。

（1）經華莊村方案

線路自興化東站出站后取直朝陳堡鎮前行，上跨規劃寧鹽高速公路后走行于蚌蜓河東側、繞避采油井，繼續向南經陳堡鎮東側后先后上跨省道S352、阜溧高速公路，之后走行于高速公路與省道S231之間，于姜堰區淤溪鎮新橋村上跨省道S231，之后折向西南于港口村上跨鹵汀河，繼續前行上跨啟揚高速公路后至寧啟鐵路前方案比選終點。比選范圍內線路長度41.771 km，全部為橋梁工程。

（2）經劉莊村方案

該方案興化至陳堡鎮段線路走向與上述方案相同，經陳堡鎮東側后取直向南，先后上跨省道S352、阜溧高速公路，之后走行于高速公路與省道S231之間，于姜堰區淤溪鎮西薛村上跨省道S231，繼續朝西南前行，于北橋村上跨鹵汀河，繼續前行上跨啟揚高速公路后至方案比選終點。比選范圍內線路長度41.055 km，全部為橋梁工程。

4 興化至泰州段線路方案比選

4.1 從采油井影響方面分析

從采油井影響方面分析，兩種方案情況如表6、表7所示。

表6 華莊村方案沿線采油井情況表

表7 劉莊村方案沿線采油井情況表

由表6、表7可知，華莊村方案與華2采油井距離183.45 m，其余均大于200 m；劉莊村方案與沿線采油井距離均大于200 m。

從采油井影響方面分析，鐵路沿線油田油壓極低，不會產生井噴，目前該區域尚未發生由于石油開采引起的沉降。華2采油井位于華莊村方案線路左183.45 m，與線路之間的距離大于150 m。另外，兩方案與陳3-34注水井距離110 m，注水井不會發生井噴爆炸和燃燒，該注水井無需遷改。

4.2 主要工程數量及投資比較

兩方案主要工程數量及投資比較如表8所示。從線路長度及工程投資角度分析，經華莊村方案線路長度增加716 m，投資節約2.79億元。

表8 主要工程數量及投資比較表

4.3 從鹵汀河橋跨局部線路方案分析

經華莊村方案選擇鹵汀河最窄處，在港口村以大角度上跨，采用128 m連續梁一跨通過；經劉莊村方案與鹵汀河交叉角度較小，為避免設置水中墩，需采用主跨320 m斜拉橋，約需4.5億元，投資增加較多，工期較長。

從上跨高等級道路橋梁工程方面分析，兩方案與沿線高等級道路交叉處橋梁設置情況如表9所示。

表9 橋梁設置情況表

由表9可知，與沿線高等級道路交叉，經華莊村方案最大跨度為上跨阜溧高速公路處，為了預留高速公路擴建條件，采用220 m斜拉橋。故從橋梁工程方面分析，跨越鹵汀河采用投資、工期及技術難度均較小的128 m連續梁方案，其余跨越重要節點差異不大，故推薦采用經華莊村方案。

綜上所述，兩方案對沿線采油井均無影響，經華莊村方案雖然線路長度略長，但其橋梁工程簡單、工程投資較省、施工工期較短，故本次研究興化至泰州段推薦采用經華莊村方案。

5 結論

為分析油田對鐵路線路施工及運維的影響，本文通過數值仿真方法建立了油氣開采沉降模型、爆炸波傷害效應模型和爆炸火球傷害效應模型，得到主要結論如下：

（1）研究區最大沉降量為2.9 mm，油氣開采所引發的地面沉降危害程度較小；鹽城1號井井噴時發生爆炸時的安全距離為119 m；發生火災時安全距離為141 m。

（2）結合相關規范，綜合提出擬建高速鐵路與油氣井間的最小距離應不小于150 m。

（3）對鹽城至泰州段內線路走向進行了方案優化，并結合投資規模、橋梁方案等分析了線路的優缺點，最終確定了興化至泰州段采用經華莊村方案。