盐穴储气库全周期注采模拟——以JT储气库X1和X2盐腔为例

中国盐穴储气库建设运行时间短,与国外具有成熟技术的盐丘型地层建库相比,多为复杂层状盐岩地层建库,存在盐层品位低、夹层多、形成的盐腔不规则等问题,对盐腔的稳定性和储库运行的安全性评价提出了更高的要求。利用大型物理模拟实验装置,根据岩石力学相似性原理,研制相似性材料和相似模型,对盐穴储气库的注采进行全周期模拟,用以研究盐穴储气库注采运行规律、盐腔周围应力—应变特征及盐腔变形特征。研究结果表明,实验过程中腔周应力和应变的反应较盐腔内气压变化滞后;采气降压时腔周应力增大,应变也随之增大,腔顶位置较其他部位更易出现应力集中的趋势,而腔腰和最大腔径处的变形相对较大。结合数值模拟研究和现场生产测试,对JT盐穴储气库的盐腔和盐柱受力与变形特征进行研究的结果表明,目前运行各阶段应力分布均为压应力,主要在盐腔顶部和盐腔中间位置发生应力集中,但无拉应力,未产生拉应力损伤破坏;内压最小时盐腔周围的安全系数都在1.5以上,压力最大时安全系数在3.0以上,这两种状态下均未发生扩容损伤破坏。研究成果对中国类似盐穴储气库运行方案的设计、稳定性评价及腔体损伤评估、灾害预防等具有重要的指导作用。     

盐穴储气库溶腔收缩规律分析

盐穴储气库在运行过程中溶腔周围的盐层受到地层压力和溶腔内压的多重作用而产生应力变化。由于盐层具有蠕变特性，并且溶腔内压力始终小于周围岩层的地层压力，因此溶腔周围盐层会产生指向溶腔内部的位移而导致溶腔收缩，从而引发储气库单腔库容和工作气量的变化。溶腔的收缩可以通过盐层蠕变测试结合数值模拟进行预测。通过对国内某盐穴储气库实际岩石力学参数测定和溶腔运行模拟预测发现，溶腔建成初期有一个短暂的快速收敛阶段，后期收敛速度较为平稳并有逐步减缓的趋势。运行10年，溶腔的体积缩小逾8%，对应的储气库库容和工作气量也将减少8%以上。因此在盐穴储气库运行的初期，必须密切注意溶腔蠕变，制定合理的运行参数，确保溶腔快速收缩阶段的溶腔稳定。在中后期必须新建溶腔，以弥补因溶腔收缩而减少的库容量及工作气量。     

盐穴地下储气库稳定性评价系统及其应用

近年来盐穴地下储气库失效事件时有发生,因此提高其稳定性已经成为储气库安全运营的关键。为此,首先在对地下溶腔的内在特征、外界环境构成要素以及注采气运行状况进行详细分析的基础上,采用层次分析法构建了多层次、多指标的盐穴地下储气库稳定性综合评价体系,并根据实验和有限差分软件FLAC3D的数值模拟结果,建立了各评价指标的评分模型;进而结合模糊综合评判法确定了盐穴地下储气库稳定性评价的定量值和稳定性等级,并以此为基础设计开发了盐穴地下储气库稳定性评价软件以方便对储气库稳定性进行预测和管理;然后以江苏金坛储气库为例对地下溶腔稳定性进行了定量评价,并将该评价结果与历史评估数据相比较。结果表明:在2~8 MPa采气压力条件下,评价系统预测结果与历史评估数据相吻合,储气库稳定性得分为50.618,稳定性级别为不稳定。最后进一步分析说明盐岩地下储气库应重点控制低压运行、高压运行、周围盐岩层厚度以及套管鞋高度等影响储气库安全的因素。该方法可为盐穴地下储气库的管理提供参考。     

一种地下盐穴储气库溶腔体积的优化计算方法

盐穴储气库井的溶腔体积主要通过物质平衡法,即通过地面采盐量来折算地下盐岩的溶解体积。但现有计算方法精度较差,应用效果并不理想,体积误差往往超过10%。通过重新建构盐穴储气库井的物质平衡理论关系模型框架,并在其基础上对原有的体积计算方法进行了优化,大大提高了盐穴储气库井溶腔体积的计算精度。     

金坛盐穴地下储气库建库关键技术综述

金坛盐穴储气库是中国第一个盐穴储气库，建设金坛盐穴地下储气库是一个比较复杂的系统工程，建库中通过摸索形成和运用了多项关键技术。①地质评价：对建库区域的选择和溶腔密封性至关重要；②溶腔设计及稳定性评价：是确保溶腔稳定的最佳形态并达到体积最大化的技术保障；③造腔技术：是整个建库工程的核心，它是能否实现所设计的理想溶腔形态和体积的关键；④声纳检测技术：确定造腔过程和最终溶腔的体积和形态；⑤完整性测试溶腔：是能否开始建造和建造后可否投入运行的关键；⑥热动力模拟：是编制盐穴储气库运行计划并为地面设施配套的重要依据；⑦老腔井筒改造技术：部分形态较好的采盐溶腔改建成为储气溶腔，加快了储气库建设进程。金坛储气库的建设使中国具备了建设同类地下油气储备库的技术实力。     

盐穴储气库水溶建腔机理研究

盐岩腔体溶蚀过程是发生在边界层内的溶腔固壁表面与溶液之间的物质交换动态平衡过程，根据盐岩的水溶建腔机理建立数学模型，可以为盐穴储气库的水溶建腔设计提供理论依据。根据物质平衡原理及Fick扩散定律，建立了盐岩溶蚀物理模型；根据流体力学基本原理、对流扩散理论及物质平衡原理，建立了溶腔溶质传输-流体流动数学模型，可求解溶蚀过程中腔体内流体的浓度场和流动速度场分布；根据盐岩溶蚀机理研究，推导出盐岩溶解速度方程，可求解溶腔动边界。用该数学模型进行数值模拟得到的溶腔形态与物理模拟结果吻合较好，能够正确描述盐穴储气库水溶建腔的基本规律，可以用于指导水溶建腔的工程实际。图3表1参6     

大尺寸盐岩溶腔模型制备研究及应用

利用现场钻取的岩心,模拟盐穴储气库水溶建腔过程,岩心尺寸小,且不能完全代表整个造腔层段的特征。经研究,提出了一种大尺寸盐岩储气库溶腔模型制备方法,采用氯化钠、泥土等材料配制盐岩溶腔模型;建立了盐穴储气库水溶建腔数学模型,利用相似比确定了实验参数;给出了利用人造盐岩模型开展造腔物理模拟的应用实例。     

盐穴地下储气库盐岩力学参数的校准方法

盐穴地下储气库具有调配灵活、垫层气量需求量少、吞吐能力强等优点,但同时也面临着诸如地表沉陷、盐岩破坏、气体渗漏以及腔体收缩过快等安全稳定性问题。盐穴稳定性评价中一些关键力学参数的选择和校准极为重要,评价所涉及的岩石力学参数主要包括盐岩弹性参数和黏塑性参数。在盐穴腔体设计阶段,关键的力学参数的选择只能通过室内岩心试验来确定,其数值的大小可能与实际的原岩参数有较大出入,这在其他的地下岩体开挖工程中也经常碰到,需要进一步对盐岩力学参数进行校准。为此,在国内盐穴储气库造腔和注采运行的多年经验和数据积累的基础上,应用造腔和注采运行回归法,利用现场数据校准蠕变参数,建立了盐穴地下储气库岩石力学参数校准的试验方法。应用该方法对江苏金坛盐穴地下储气库的盐岩的弹性和黏塑性参数进行了校准,所获得的力学参数现场应用效果良好。校准后的力学参数对优化已运行腔体注采方案、提高储气库运行经济性和安全性都有重要作用。     

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对盐岩地层建设地下储气库的溶腔数学模型进行了研究。为了设计和形成稳定的溶腔形态，依据流体力学、化学动力学及物质平衡原理，对水溶建腔机理进行了分析，建立了盐岩溶腔溶质传输—流体流动数学模型；根据流体力学基本原理和对流扩散理论以及物理模拟基本规律，建立了盐岩溶解速度方程；并通过数值方法对腔体态进行了模拟研究。结果表明，在合理的工艺条件下，通过盐岩水溶开采可以获得稳定的腔体形态，以满足地下储气库的要求，从而为盐穴储气库的溶腔设计提供理论依据和决策手段。     

盐穴储气库注采运行过程中的腔体形状检测

金坛储气库注采运行过程中,由于岩盐的蠕变特性,压力、温度的变化会对盐穴的形态产生影响,使盐穴发生片帮和收缩,严重的情况会影响到注采运行的安全。为了研究腔体形状的变化,评价其影响,为安全平稳的运行提供保证,也为今后国内盐穴储气库高压气腔声纳检测积累经验,给地下盐穴储气库的生产运行提供技术保障,金坛储气库对两口注采运行多年的老腔进行了检测。从高压气腔声纳检测现场施工出发,重点说明高压气腔声纳检测的详细操作程序及关键技术。这一工作在国内尚属首次。     

基于盐腔时效收敛特征的密集地下储气库群地面变形动态预测

盐岩具有显著的蠕变特性,盐腔在内外压力相互作用下表现出较明显的收缩性。为了掌握密集地下盐穴储气库群地面变形的动态发展规律,在综合考虑影响腔体收敛的多种时效因素（腔体水溶速率、体积收敛系数以及收敛传递率等）的基础上,对盐腔建腔期和运营期的腔体时效收敛函数进行了合理简化,基于腔体收敛传递假设,推导出腔体收敛传递函数,并结合地面沉降高斯分布规律和变形叠加原理,建立起一套较为完整的密集盐岩地下储气库群地面变形动态预测计算模型,提出了基于盐腔时效收敛特征的密集地下储气库群地面变形动态预测方法。实际应用结果表明：①地面沉降平均速率会随着时间的增加由大变小并逐渐趋于稳定;②地面计算点距离盐腔中心越近,初始沉降速率越大,其速率降低得越快。     

盐穴型地下储气库建库评价关键技术及其应用

为了解决层状盐岩盐层展布不均、造腔机理复杂、造腔过程控制难、盐腔运行安全稳定性差、老腔改造利用难度大等技术难题,从盐穴地下储气库盐层利用最大化、提高造腔效率、缩短建库周期、保证腔体安全的设计目标出发,依托江苏金坛盐穴储气库的设计经验与现场实践,全面更新设计理念,提出了选址评价、造腔设计与控制、稳定性评价与库容参数设计、老腔筛选及利用、气库运行及监测等5项关键技术序列,丰富和完善了盐穴储气库建库评价技术体系。上述5项关键技术在金坛盐穴储气库建设中的实际应用效果表明:(1)地质方案实钻符合率高;(2)造腔形态符合设计预期;(3)腔体变形收缩率符合稳定性评价结果预期;(4)老腔改造利用成功;(5)部署监测网络保障了盐穴储气库的运行安全,为长江三角洲地区天然气调峰保供发挥了重要作用。结论认为,该项研究成果指导了盐穴地下储气库的建库方案设计及工程实施,为同类储气库的建设提供了理论支撑与技术保障。     

盐穴地下储气库注采热工性能模拟

储气库在建造和运行时，一方面溶腔内气体通过自然对流与周围盐层进行热交换，与周围盐层壁面形成不稳态导热温度场；另一方面连续注采循环，使腔内气体压力、温度发生变化，特别是在连续采气时，降压的焦耳-汤姆逊效应极易使井口气体压力和温度进入生成水化物的危险范围，因此动态确定盐穴储气库注采天然气时的热工特性变化十分必要。为此，根据热力学、传热学和流体力学理论，针对注采过程天然气在井筒流动和溶腔内传热过程的特点，将井筒、溶腔和周围盐层视为一个系统，提出了描述注采动态工程相互耦合的数学模型及其求解方法，并开发了相应的数值计算软件。该软件可预测盐穴地下储气库在连续注采气过程中，溶腔内及井筒顶、底部气体的压力和温度，并判断水化物形成的危险范围等。研究成果能对盐穴地下储气库的建造和技术特性做出预测分析，对其运行工况给予指导，并对注采气地面系统的优化设计提供理论分析依据。     

考虑垫底气回收价值及资金时间价值的盐穴型地下储气库储气费计算方法

我国的地下储气库(以下简称储气库)与油气管道捆绑运营,没有单独的定价机制,计算储气库储气费时也未充分考虑资金的时间价值及油气藏型、盐穴型储气库垫底气的回收价值,导致计算结果的准确性欠佳。未来储气库实行独立、市场化运营是必然趋势,因而需要建立一种符合我国储气库运营模式的储气费定价机制。为此,以国内某盐穴型储气库建设投资项目为例,采用二分法建立了一种考虑垫底气可回收的储气费计算模型,计算出该储气库在不同内部收益率下的储气费,并分析了影响储气费的主要因素。结果表明:(1)当储气费为1.02元/m~3时,可满足内部收益率8%的要求;(2)在盐穴储气库工作气量确定的情况下,年储转次数(储气库年实际注采气量与年设计工作气量的比值)是影响储气费的最重要因素,地下及地面工程等建设投资的影响次之,而经营成本的影响最小;(3)在储转次数大于1.4时,盐穴储气库注采运行的工作效率达到最大,建议将盐穴储气库的储转次数设定为1.4。结论认为:该储气费计算方法在保证能获得一定利润的前提下,充分考虑了资金的时间价值以及垫底气的回收价值,计算得到的储气费较为合理,可推广到类似盐穴型储气库的应用计算。     

盐穴地下储气库小井距双井自然溶通造腔工艺

为了解决盐穴地下储气库单井造腔速度慢、工期长的难题,通过调研盐矿的采卤工艺技术,借鉴盐矿对井开采溶腔的技术思路,提出了"单井建槽、自然溶通、双井对流建腔"的盐穴储气库造腔思路:基于室内对井采卤物理模拟实验,通过双井造腔连通方式与井距实验模拟,对小井距双井造腔自然溶通技术的可行性进行了分析和造腔效果预测,创建了盐穴储气库小井距双井自然溶通造腔工艺,并进行了现场先导性试验和声呐检测。结果表明:(1)利用双井可加快盐穴造腔速度,试验井比单井造腔速度提高了1.7倍;(2)要建造规则、可被检测的盐腔,宜采用小井距、自然溶通的造腔方式;(3)建造单腔有效体积为30×10~4 m~3的模拟预测方案显示,较之于单井造腔,双井造腔可缩短工期25%(约1年)、降低能耗55%左右。结论认为,双井造腔工艺在加快造腔进度、降低能耗方面效果显著,应加快对该工艺的攻关研究与现场试验,以期尽早推广应用。     

岩盐品位对岩盐储气库水溶建腔的影响

岩盐储气库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天然气的存储空间。岩盐储气库水溶建腔技术是岩盐储气库的核心内容，直接影响着岩盐储气库的后期作业，对岩盐储气库运行效果、使用寿命等具有重要意义。为此，研究了岩盐品位对岩盐储气库水溶建腔的影响：根据水溶建腔机理，建立岩盐储气库水溶建腔数学模型；对岩盐品位不同的地层条件下岩盐储气库水溶建腔进行动态模拟数值计算；进而综合分析了岩盐品位对岩盐储气库水溶建腔的影响规律。结果表明：岩盐储气库应选择在岩盐品位高的地层建造，这样既有利于溶腔形态的控制，又能缩短建腔周期。     

盐穴储气库水平腔形态稳定性优选

目前盐穴储气库主要采用单井垂直造腔方式建造，但对于薄盐层，该方法造腔体积小，盐层利用率低，并不适用。采用双井水平造腔方式可有效解决上述问题，而水平腔形态对腔体的稳定性和储气能力至关重要。为了优选出最佳形态，提出了一种水平腔形态优选方法。通过造腔物理模拟实验获得不同形态的水平腔模型，并采用逆向工程建模，利用FLAC3D软件进行静力学和恒压流变稳定性评价优选。实验结果显示，水平腔形态可分为4类，“驼峰”型、“一端大一端小”型、“两端大中间细长”型、“平顶”型；根据变形、塑性区分布、体积收缩率综合评价，“驼峰”型腔体稳定性明显好于其他形态腔体。因此，建议现场采用水平多步法造腔方式，设计建造“驼峰”型水平腔，可提高腔体稳定性和储气能力。