盐岩储气库适用性评价标准的研究

韩琳琳，廖凤琴，蒋小权，陈剑文

（中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074）

1 引 言

目前，盐岩作为地下储气介质是最经济、最安全的。但当地下储气库修建不合理或人为操作不当，均会造成能源的泄漏而引起大面积的火灾、爆炸。虽然国内外很多专家对储气库进行了深入的研究，但目前国内还没有对储气库的适用性提出全面的评价标准。为了工程的安全性和经济的适用性，有必要提出一个全面的储气库适用性评价标准。

笔者对已发生的14起储气库事故[1]进行分析，归纳出事故原因有：储气库密闭性失效、储气库围岩过度变形和跨塌、运行压力不当等主要影响因素。在分析事故的基础上，提出了储气库适用性评价标准（evaluation standard of applicabilities for gas storage in rock salt, ESAGSRS）。

2 储气库适用性评价标准（ESAGSRS）

研究试验数据和阅读大量文献后，结合失事案例的原因，笔者综合考虑影响储气库适用性的各个因素，提出 ESAGSRS，用以全面地评价储气库的适用性，见表1、2。该评价标准包含储气库的稳定性和密闭性两大方面，具体评分依据将分别论述。

3 储气库的稳定性

岩石地下工程的稳定性[2]是指其在正常的使用情况下，必须保持预定的尺寸和形状，满足其他特殊性的要求。笔者在阅读大量参考文献以及研究金坛、云应、潜江等地储气库（设计）资料的基础上，得出储气库的稳定性与顶和底板的性质、盐岩层及夹层的性质、盐岩层与夹层交界面的性质、溶腔最大和最小压力及注采速率、溶腔形状及矿柱距离 5个因素有关。

3.1 顶、底板的性质

顶底板的性质对稳定性的影响包含顶底板的岩性及预留盐层的厚度两个方面。资料显示，我国储气库的顶底板的岩性有盐岩及高盐分泥岩、钙芒硝岩及硬石膏岩、泥岩及粉砂岩、泥灰岩及钙质泥砂岩4种岩石。盐岩及高盐分泥岩的力学性能比其他岩石好，最适合为顶底板。其次分别为：钙芒硝岩及硬石膏岩、泥岩及粉砂岩、泥灰岩及钙质泥砂岩。

溶腔建造之后，在一定时间内肯定会发生一定的形变。因此，要预留一定厚度的盐层，可以抵抗和消减溶腔形变对上部及地表的影响。资料显示[3]，预留盐层的最小厚度为 20 m，预留盐层的厚度越大，对储气库的稳定越好。综合考虑，在储气库稳定性中，该项所占评分权重为10%。

3.2 盐岩层及夹层的性质

在储气库的稳定性中，夹层的岩性、位置、厚度、数量，盐岩层的厚度以及盐岩、含夹层盐岩的单轴抗压强度对稳定性均有影响。其中各层的单轴抗压强度、夹层及盐岩层的厚度对稳定性影响较大。

3.3 盐岩层与夹层交界面的性质

在三轴压力条件下，盐岩与夹层力学性质的差异都非常明显，与强度高、横向变形能力弱的夹层相比，盐岩的强度低，横向变形能力强的特征会导致盐岩与其夹层交界面上产生变形不协调现象，导致界面处出现局部剪切破坏，进而影响到储气库的稳定性。

表1 储气库稳定性评价标准表（总分St=100分）Table 1 Table of evaluation standard for stability of gas storage

表2 储气库密闭性评价标准表（总分Se=100分）Table 2 Table of evaluation standard for sealability gas storage

为了能够更好地说明交界面对稳定性的影响[7]，笔者选用刚度比（即 EM/ES）及交界面的内摩擦角来进行分析。研究表明[8]，溶腔腔周最大位移随着EM/ ES的增大而变小，盐岩层的破坏区域也逐渐变小。交界层面的抗剪切能力随着φ值的增大而增大，稳定性也随之增大。综合考虑，在储气库稳定性中该项占评分权重为15%。

3.4 溶腔最大、最小运行压力及注采速率

盐岩地下储气库的储存能力与最大和最小储存内压界限值直接相关，提高最大内压和减小最小内压，意味着储气库的压力范围、储存能力及经济效益增加[9]。在确定最大、最小压力时，常采用静水柱压力换算法、德国盐层溶腔运行内压设计经验、溶腔顶部埋深换算法、上覆地层压力折算法4种方法。笔者运用上覆地层压力折算法，考虑盐岩的蠕变性能及天然应力，取天然应力的77%～80%为最佳最大内压，天然应力的27%～30%为最佳最小内压。当运行压力大于或小于最佳最大、最小内压时，对储气库的稳定性和经济性均不利。

同时，合理地确定盐岩储气库的采气速率，对保证储气库运行可用性，提高运行经济效益、制定运营方案也具有重要的意义[10]。笔者分别以 0.4、0.5、0.6、0.7、0. 8 MPa/d的采气速率下体积收敛率为研究对象。研究表明，随着采气速率的增大，腔体的体积收敛率也增大，当降压速率达到0.7 MPa/d时，该腔体降压阶段的日平均体积缩小率超过0.02 %/d，因此建议储气库的许可采气速率应小于0.6 MPa/d。综合考虑，该项在储气库稳定性中占评分权重为30%。

3.5 溶腔的形状及矿柱宽度

溶腔的最佳形状及矿柱的安全距离对储气库的稳定性和经济性有较大的影响。溶腔的形状决定着重分布应力作用的范围及大小，研究表明：在水滴形，椭圆形（长短轴比3/7），椭圆形（长短轴比4/7），椭圆形（长短轴比3/7），球形5种形状中，水滴形最有利于储气库的稳定性。

根据德国、美国建库的经验，矿柱距离B=KD（D为储气库的直径），德国取K=1.5～3.0，美国取K=1.75～2.5。对我国已建储气库运用 FLAC3D进行数值模拟，得出：K=2时，对储气库稳定性最有利，当K＜1时，储气库有坍塌的可能。综合考虑，该项在储气库稳定性中占评分权重为20%。

4 储气库的密闭性

储存库的密闭性是保证储存库在运营期间，储存库中的天然气不发生泄漏。笔者在阅读大量参考文献以及研究金坛、云应、潜江储气库的基本资料的基础上，得出密闭性与固井技术、套管的性能、套管阀门的性能、溶腔压力、顶板突破压力、夹层性质、盐岩的渗透条件、夹层与盐岩交界面的刚度比、地质构造条件等9个因素有关。

4.1 固井技术

使用盐水水泥浆、盐水隔离液、优化固井施工参数，提高水泥砂浆的顶替效率是确保盐岩层固井质量的关键[11]。

十队是在60年代末由两个生产队合并而成，所以，在日常劳作中，社员总会习惯性地分成两组。为了公正记录工分，两边各推选一名记分员记录对方的工分，同时还另选一名总记工员，两位记分员每天都要把各个社员的工分汇总到总记工员处。由于社员在一天内经常做不同的工种，如果自己记了本组社员的工分，另一个记分员则要把他们的工分、工种抄回去，所以我们在工分簿上看到很多“√”。当时出工就画一个圈，不出工则打个叉，并作相关说明，以免社员日后翻旧账。

理论上，避免和减少盐岩地层溶蚀的最有效方法是使用饱和盐水水泥浆，但过大的盐含量会使水泥浆凝结时间超长，因此，采用半饱和盐水水泥浆标准。为减少隔离液与盐层中盐的浓度差，减缓地层中的盐向隔离液中扩散，维护隔离液的性能，使用盐水隔离液。微硅的加量是用以减少游离液产生，改善流变性，通过试验得出其适宜加量为4%～8%。

为了提高固井质量可采用以下措施：在溶腔腔顶打悬空水泥塞；提高顶替效率，顶替时采用塞流方式；在大井眼情况下，采用塞流顶替方式顶替钻井液；确保套管串下至预定井深；使用扶正器改善套管偏心度。根据研究资料[12]，综合考虑，该项在储气库密闭性的评分权重为20%。

4.2 套管的性能

一般情况下，对于管体而言，随着壁厚的增大，其连接强度也随之提高。而圆螺纹壁厚取决于管体厚度和内径。由试验数据分析可知随着套管的不圆度、外径偏差和螺纹偏心度的增大，套管承载能力降低。

国外在密封性设计中，对于气井，大多采用的是特殊螺纹连接的油管代替 API普通螺纹，或者用API螺纹连接的油管的涂特密封螺纹脂（如CAtts101）在低气压井上代替API美通螺纹。

API标准中的套管挤毁压力公式是基于几十年前生产的套管实物挤毁试验结果，对试验数据进行数学回归处理建立的经验理论公式。使用中存在部分的问题。综合考虑，该项占储气库密闭性的评分权重为10%。

4.3 套管阀门的性能

根据资料[13]，笔者总结阀门失效的原因主要有：密闭接触面被腐蚀、磨损，有划痕或有污染物，造成不密合；弹簧或紧固件发生蠕变；密封件未压紧或造成损伤；螺栓松紧程度不一；紧固件松动；阀门关闭时，由于活动零件变形或间隙中有杂物引起阀杆与阀座接触偏离。

提高阀门密闭性的措施：材料改进措施；结构改进措施；保证阀门本身的清洁和控制介质的清洁；在保证材料、技术等前提下，进行阀门使用过程的定期预防检查调校。综合各项因素，该项在储气库密闭性的评分权重为10%。

4.4 盐腔运行压力

从盐岩储存库的经济效益角度出发，应尽可能的提高最大内压和降低最小内压，但最大内压需考虑储气库的密闭性。受上覆岩层地层压力的影响，当内压逐渐达到地层压力时，盐岩溶腔出现水力致裂，盐岩渗透率急剧增长。而内压过小，则容易引起溶腔坍塌，同时以极大的洞穴收敛容积损失为代价。最大、最小运行压力的确定在前面已经阐述，在此就不再赘述。经过分析认为，该项在储气库密闭性的评分权重为20%。

4.5 顶板突破压力

顶板突破压力是反映盖层封闭能力最根本评价参数,影响突破压力的因素主要是渗透率,孔隙度。资料研究表明，突破压力与渗透率，孔隙度均呈反向相关关系[14]。与其他各项因素相比，顶板突破压力对储气库密闭性的影响不大。综合考虑，其所占的评分权重为5%。

4.6 夹层性质

对夹层层面采用不同的渗透率，计算结果显示，夹层的渗透性对储气库气体渗透范围影响非常大。根据以往的研究成果[15]，对于盐岩（泥岩）等低渗透性的多孔介质，Klinkenberg效应对夹层的气体渗透影响显著。通过阅读和分析大量资料，综合考虑，该项占储气库密闭性的评分权重为12%。

4.7 盐岩的渗透条件

岩石在压缩状态下，因内部颗粒及颗粒边界产生滑移和微裂纹的萌生、扩展，其体积由压缩转为膨胀，即扩容现象[16]。Pfeifle的试验表明，盐岩的扩容与渗透率呈反线性关系。在阅读大量参考文献的基础上，给出该项占储气库密闭性的评分权重为5%。

4.8 界面夹层与盐岩的刚度比

在储气库中，盐岩层表现出了较强的横向变形能力，在三轴压力条件下，盐岩与夹层力学性质的差异非常明显，变形不协调会产生应力集中，进而导致刚度较大且表现为脆性的泥岩夹层出现局部张拉破坏，从而引起裂隙的发育，气体将沿发生渗漏。在上述分析的基础上，笔者选用刚度比即 EM/ES来进行衡量其对储气库密闭性的影响。综合各项因素，该项在储气库密闭性的评分权重为10%。

4.9 地质构造条件

地下储气库的建造与生产工艺方法很大程度上会受到所处的地质构造的影响[17]。根据美国资料，在“密闭型”的含水层地下储气库中，天然气的年层间漏失率为有效容量的 0.2%～1%，而对于存在着小断距褶皱、平缓层或单斜层的构造来说,这个值可能扩大到 1.5%或 1.5%以上。研究表明，储气库均会选在地质构造条件较好的地层中，因此，地质构造条件对储气库密闭性的影响不大。综合考虑，它所占的评分权重为8%。

5 储气库的适用性

在储气库可行性研究阶段，可以依据ESAGSRS分别算出稳定性和密闭性的得分，储气库适用性的总得分为 T=0.6 St+0.4Se。根据总得分T，来评判储气库的适用性，见表2。

表3 ESAGSRS评分与储气库质量分级Table 3 ESAGSRS score and gas storage quality grading

6 结 论

本文系统地研究了储气库的适用性影响因素，运用已有的对储气库适用性的研究过程和结论，提出了储气库适应性评价标准评价标准。该评价标准包括稳定性和密闭性两大方面，各方面综合考虑了多因素对储气库适用性的影响。在储气库可行性研究阶段，依据该评价标准得出储气库适用性的总得分T，进而对储气库的适用性进行评价。该评价标准是建立在我国盐层的特点之上的，可以为我国已建和拟建的储气库的适用性评价提供参考依据。

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