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。     

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。     

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。     

��Ѩ�����⽨�⼼��

在调研国外盐穴储气库相关资料的基础上，对用盐穴建设地下储气库的工艺工程、方法进行了探讨，内容包括：盐穴储气库的建造工艺过程；盐岩的特性；盐对固井水泥的影响；水溶采矿模拟研究结果；影响盐穴稳定性的主要因素；建造岩穴储气库的工艺方法；盐穴储气库运行压力的确定方法；盐穴储气库完井技术要点；国外盐穴储气库建造实例等。可为今后我国建设地下盐穴储气库提供参考。     

��Ѩ���´����⽨�⼼��

我国的西气东输工程从新疆塔里木油田到上海，管线长度达4000公里，为确保对长江三角洲地区安全稳定的供气，就必须在长江三角洲地区建设地下储气库，从而保证在管线故障期间应急供气，同时利用地下储气库调节冬季和夏季用气量的差异，保证长输管线的高效、平稳运行。在长江三角洲地区经地库址选择，目前准备将常州盆地的金坛盐矿用以建设地下储气库。盐穴地下储气库主要选择在盐层或盐兵上，利用水溶方式形成地下溶腔进行储气，选择合适的建库地址要结合地质、水、工程等诸多因素，造腔过程中需要采取一系列控制技术，在造腔过程中还要及时采取声纳测井技术进行跟踪监测，造腔过程的检测及腔体完成后的密封安全性检测是气库能否投入运行的关键。     

岩盐储气库水溶建腔优化设计研究

作为“西气东输” 工程的配套项目，江苏金坛储气库近日正式投产。根据金坛盐矿有利的建库地质特征，运用岩盐溶腔数值模拟软件对溶腔形态变化规律和影响因素进行了分析研究。从溶腔的总体结构以及水溶建腔过程中生产参数如油垫的位置、循环方式、流量控制、管柱组合等方面进行优化设计，给出水溶建腔优化设计准则和方法；针对岩盐储气库水溶建腔方案，提出造腔时间、平均排量、溶腔体积、平均出口浓度、设计符合率等5项主要评价指标，运用灰色物元分析方法对水溶建腔多方案进行优选，得到最佳方案。实例计算表明，按照一定的水溶建腔优化设计准则和方法，能够对岩盐储气库溶腔进行优化设计；岩盐储气库水溶建腔采用灰色物元分析方法能够全面科学地确定设计方案的优劣，很好地解决储气库水溶建腔方案设计优选的问题。     

盐穴地下储气库溶腔形态变化数值模拟

盐岩蠕变对盐穴地下储气库的溶腔形态有着较大的影响,易造成储气库失效、泄漏、破裂等安全问题。为此,利用美国ITASCA咨询集团公司开发的FLAC3D快速拉格朗日差分软件,建立了盐穴储气库模型,对储气库溶腔蠕变规律进行了数值模拟,分析了在不同蠕变时间内、不同内压下储气库溶腔在不同直径处的变形量,得到在盐岩蠕变下,盐穴储气库溶腔形态的变化规律,并给出了相应操作建议:1盐穴储气库溶腔不同直径处产生的变形量是不同的,溶腔最大直径处变形量最大,随着直径的增大变形量增大,且呈非均匀性增大,因此在建设盐穴储气库时,应对储气库溶腔的高径比进行严格地计算;2溶腔内压对储气库溶腔变形量有直接作用,较高压力下的盐岩蠕变对储气库溶腔形态变化的影响比低压时小,因此建议在盐穴储气库实际运行过程中,尽量避免低压运行,以保证储气库溶腔形态的完整性。该成果为盐穴储气库的安全运行与维护提供了可行的依据。     

�������β㽨����Ѩ���´�����

为保证我国西部天然气对长江三角洲的江苏省、浙江省、上海市等安全、稳定供气，并满足这些省市的用气量变化需求，决定在该区建设足够容量的地下储气库。文章介绍了利用该区金坛岩盐构造建造盐穴储气库的建库原则、建库地质条件、水溶采卤处理、盐穴设计等。同时还介绍了应用模拟计算设计方法进行计算所取得的盐穴设计几何高度、平均直径、最大高宽比，以及在运行压力范围内安全围岩矿柱宽度等重要参数。     

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。     

���β��н��财�������״���ƻ���

随着我国西部天然气于2003年底开始向上海市供气，建设地下储气库以保证长江三角洲地区和西气东输管线沿线城市的有效、安全用气已刻不容缓。介绍了在盐层中建设储气库采用的水溶采卤技术：通过向溶腔中注入淡水，降低卤水浓度，溶蚀岩盐，使得溶腔不断扩大。为保证储气库长期安全、稳定地运行，必须在建腔过程中控制其形状，使之具有一定的力学稳定性。通过机理分析与模拟实验研究，探索了溶腔形状控制机理，以及在盐层中建设储气库的形状控制技术。     

江苏金坛盐穴储气库定向井轨道优化设计方法

针对盐穴储气库定向井下部直井段过短导致后期造腔管柱因不垂直而出现的盐腔严重偏溶的情况,采用五段式井眼轨道设计方法,结合材料力学相关理论,得出盐穴储气库定向井下部直井段最小长度计算方法,并对不同尺寸、不同钢级的造腔管所要满足的下部直井段最小长度进行了计算,完成了该方法在金坛地区11井次的应用。盐穴储气库定向注采井下部直井段的长度对后期造腔管柱的影响较大,盐穴储气库定向井第2直井段计算方法可以定量确定下部直井段最小长度,使造腔管成自然垂直状态,一定程度上避免了造腔过程中腔体偏溶情况的发生,保证了腔体体积,提高了盐层的利用率,符合现场实际要求。该方法对盐穴储气库定向井钻井设计及现场施工具有一定的指导作用。     

岩盐储气库水溶建腔的基本原理及影响因素研究

阐述了岩盐储气库造腔的溶解速度、溶解度等基本概念和岩盐储气库水溶建腔的影响因素,分析了水溶建腔的流体输运理论和岩盐溶蚀机理等。指出通过岩盐储气库造腔基本理论的研究,可为岩盐储气库的溶腔设计与生产提供理论依据。     

水淹枯竭气藏型地下储气库盘库方法

地下储气库多周期运行盘库,是研究气库运行规律、分析漏失、进一步提高气库运行效率和降低气库运行成本的关键环节。已建立的未水淹气藏型地下储气库盘库数学模型却并不适用于水淹枯竭气藏型地下储气库,评价结果明显高于实际注采气量。为此,通过深入分析水淹枯竭气藏型地下储气库气驱排水扩容机理、多周期注采运行过程中气水两相宏观与微观运动规律及可能的分布状态,创新性提出了可动用库存量的概念,以注采气量与视地层压力在一个注采周期内满足定容压升降方程为评价准则,建立了水淹枯竭气藏型地下储气库盘库模型。实例验证结果表明,该模型计算的结果与实际吻合,可用于水淹枯竭气藏型地下储气库多周期运行盘库计算和分析。为储气库运行、管理及调整提供了依据。     

盐穴储气库底部碎屑旋转射流冲洗数值模拟

在地下盐穴储气库多夹层岩盐水溶造腔过程中,不溶于水的夹层碎屑极易在盐穴腔底过量沉积,引起有效造腔体积减小、造腔速度降低,从而影响储气库造腔的质量和进度。为此,提出了高压旋转水射流冲洗碎屑的新方法,阐述了通过射流冲击作用和旋流作用,完成高效冲洗腔底碎屑的工作原理;根据多相流理论,建立了旋转射流冲洗碎屑数学模型,数值模拟研究了排量、颗粒直径和工具转速等参数对碎屑冲洗效率的影响规律。模拟结果表明:排量和颗粒直径是影响碎屑冲洗效率的重要因素,冲洗效率随着排量的增大而显著提高,随着颗粒直径的增大而明显降低;在一定条件下,存在最优工具转速,但随着颗粒直径的增大,工具转速对冲洗效率的影响逐渐降低。旋转射流法冲洗盐穴腔底碎屑能够有效提高碎屑冲洗效率,该方法为我国多夹层岩盐的快速、优质和安全造腔作业提供了一条新途径。     

�����索�����꾮Һ����

大张坨地下储气库是以凝析油气藏的砂岩作为储层的，该储层具有压力亏空和孔隙度、渗透率高的特点。因此，钻井时必须根据储层岩性的特点和物性特征，找出对储层造成伤害的因素，有针对性地优化钻井液体系、性能参数和保护措施。实践证明，聚合物、有机硅钻井液体系满足了大张坨地下储气库各个阶段的施工要求，保证了安全快速钻井；钻井液性能稳定、抑制能力强、井壁稳定；采用双项屏蔽保护剂及保护措施，能较好地保护好储层。     

三维地质建模在盐岩分布预测中的应用

盐岩地质特征的定量化精细描述对于地下盐穴储气库的设计十分重要。针对盐岩沉积具有相序明显、平面上相带呈环带状分布的特征，综合应用地质及测井资料，进行地质条件约束下的盐岩沉积体三维随机建模。以F盐矿为例，说明了这一研究过程的基本步骤，包括盐岩沉积模式分析、等时地层划分和对比、随机模拟方法选择、地质统计特征分析、三维随机建模以及对随机模拟结果的多解性评价。研究表明，在缺少井间约束条件的情况下，充分利用盐岩的沉积特征，采用地质约束条件下的盐岩随机建模，可以实现对盐岩分布的科学预测。     

地下盐穴储气库盐岩热损伤机理

基于变质量热力学原理，建立盐穴储气库注采过程中的工程热力学分析数学模型，给出了单个注气和采气过程中温度和压力随时间变化的解析解，作为数值模拟的边界条件。根据金坛储气库的基本数据和盐岩实验研究参数，利用COMSOL Multiphysics有限元软件建立单腔盐穴注采过程的温度-应力耦合模型，模拟恒定注采速率下盐腔围岩的拉伸损伤、剪切损伤和膨胀损伤分布情况，研究夹层和热应力对围岩损伤的影响。基于热应力理论，结合模拟结果分析盐穴储气库注、采气过程中围岩的热损伤机理。模拟结果表明：在热应力存在的情况下，夹层的存在促进了围岩损伤的产生，无夹层时围岩无损伤发生，有夹层时围岩存在损伤；注气过程和采气过程的损伤发生位置存在差别：注气过程损伤多发生在夹层附近的盐岩中，采气过程损伤多发生在夹层中；膨胀损伤的范围最广，且损伤范围覆盖了前2种损伤，因此实际生产过程中推荐使用膨胀损伤判据，损伤评价结果更为保守。