厚夹层盐穴储气库扩大储气空间造腔技术

郑雅丽，赵艳杰，丁国生，武志德，陆守权，赖欣，邱小松，杨冬，韩冰洁，王玲欣

（1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊 065007；2.中国石油天然气集团公司油气地下储库重点实验室，河北廊坊 065007；3.中国石油东部管道有限公司，上海 200122；4.中国石油对外合作部，北京 100007；5.中国石油渤海钻探工程有限公司第二录井分公司，河北沧州 062552）

厚夹层盐穴储气库扩大储气空间造腔技术

郑雅丽1,2，赵艳杰1,2，丁国生1,2，武志德1,2，陆守权3，赖欣1,2，邱小松1,2，杨冬4，韩冰洁1,2，王玲欣5

（1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊 065007；2.中国石油天然气集团公司油气地下储库重点实验室，河北廊坊 065007；3.中国石油东部管道有限公司，上海 200122；4.中国石油对外合作部，北京 100007；5.中国石油渤海钻探工程有限公司第二录井分公司，河北沧州 062552）

针对目前国内盐矿普遍发育厚夹层的问题，通过室内实验、数值模拟和现场试验，分析厚夹层是否可以垮塌，以实现上下盐层连通，扩大单腔储气空间。分析夹层的水溶机理、水浸后力学参数变化规律后发现：水浸后夹层呈蜂窝状溶解且产生裂缝，利于剥落，剥落残渣占据空间较小；水浸后夹层力学强度明显降低，易发生破坏，有利于夹层垮塌。利用夹层垮塌临界跨度计算模型可预测夹层垮塌时机，通过数值模拟获得了厚夹层垮塌规律，表明夹层厚度越小，夹层埋深、腾空跨度和盐腔高度越大，夹层垮塌的可能性越大。提出了“充分浸泡夹层、二次建槽”的设计思路，针对某储气库12 m厚夹层进行造腔试验设计，并在2口井进行了现场试验，表明厚夹层可以垮塌，且增加了造腔高度，提高了单腔工作气量，具有技术和经济可行性。图4表2参11

盐穴储气库；厚夹层；夹层垮塌；水溶机理；水浸力学参数；造腔设计；造腔试验

引用：郑雅丽,赵艳杰,丁国生,等.厚夹层盐穴储气库扩大储气空间造腔技术[J].石油勘探与开发,2017,44(1):137-143.

ZHENG Yali,ZHAO Yanjie,DING Guosheng,et al.Solution mining technology of enlarging space for thick-sandwich salt cavern storage[J].Petroleum Exploration and Development,2017,44(1):137-143.

0 引言

20世纪50年代国外开始利用盐穴建造地下储气库[1]。随着2000年“西气东输”工程的启动，国内开始了盐穴储气库相关的研究工作，研究者结合国外文献调研资料对盐穴储气库建库技术和造腔工艺技术进行了阐述[2-4]。在夹层垮塌造腔方面，研究者主要是以金坛盐矿这种夹层厚度小于10 m的多夹层为研究对象，研究内容包括造腔过程中如何控制夹层垮塌，防止井下套管弯曲、破损和腔体局部颈缩等[5-11]，认为应在夹层尽量少且薄的地层条件下建设储气库[5]。目前国内针对储气库建设开展前期工作的盐矿中，除了金坛盐矿之外，普遍发育厚度大于10 m的厚夹层。以往造腔设计避开厚夹层，这样势必减小了造腔高度。如果厚夹层可以垮塌，使其上下盐层连通，则可以增加造腔高度，扩大储气空间。本文从夹层的水溶机理、水浸后力学参数变化规律、夹层垮塌预测等方面进行研究，并结合现场试验综合论述厚夹层垮塌增加储气空间的可行性。

1 水溶机理

含盐地层中发育的厚夹层因其处于盐湖沉积环境中，一般含有一定比例的NaCl。以某盐矿12 m左右厚夹层段的岩石组分分析为例，该夹层靠近盐层的顶底部NaCl含量在15%～25%，中部仍有5%左右。对该夹层大量样品进行水溶实验，从中选取具有代表性的3块样品（见表1），可以看出：位于顶部的yp001岩样和位于中上部的yp002岩样岩性为钙芒硝质泥岩，上溶与侧溶实验显示岩样发生了不同程度的溶解，经两周的水溶后成蜂窝状，其中yp001岩样的水溶性较强；位于中部的yp003岩样为棕红色泥岩，水溶性很差，只是含盐部位呈孔状或缝隙状溶解。

将钙芒硝质泥岩岩样完全浸泡在水中观察，7 d后表面出现蜂窝状水溶，17 d时发现底部出现颗粒状溶解物，摇晃呈悬浮状，32 d时出现片状剥落物，58 d时出现泥岩块状物，90 d时1/5的岩样剥落。此外，由于差异溶解作用，岩样中含盐条带的位置会随着水溶逐渐出现缝隙，加剧岩样脱落。因此，泥岩夹层经过一段时间的浸泡会出现掉块的现象，有利于夹层的垮塌。

2 水浸力学参数变化规律

为了获得夹层岩石在造腔过程中力学性质随浸泡时间的变化规律，开展了水浸实验。浸泡水分为饱和卤水和清水两种，其中饱和卤水浸泡的时间分别为28 d和33 d，清水浸泡的时间为60 d。实验结果（见表2）表明：未进行浸泡的夹层界面不易破坏，对盐岩影响较小，而浸泡后的夹层界面易发生破坏，特别是当夹层界面倾斜时，还易沿夹层界面发生滑动；夹层中含有盐岩和钙芒硝成分时，经过浸泡后，夹层比纯盐岩和钙芒硝岩更易发生破坏；随着浸泡时间的增加，夹层抗压强度降低。抗压强度的降低与水溶机理具有较强的相关性，即随着浸泡时间的增长，夹层中NaCl等可溶物质的溶解量增多，造成岩样中孔隙增加，力学强度降低。与饱和卤水相比，清水溶解条件更佳，则力学强度降低幅度更大。也就是说，在造腔过程中，采用清水或低浓度的卤水可以更好地降低力学参数，使夹层垮塌。

3 垮塌预测

3.1 夹层垮塌临界跨度预测

在水溶造腔过程中，随着盐层由下而上不断地溶漓，难溶夹层会逐渐暴露于卤水中，暴露初期夹层处于腾空稳定状态。随着盐层溶漓直径增大，在夹层应力重新分布和浸水后力学强度降低的影响下，当夹层腾空的跨度达到某一数值时会发生局部失稳破坏[7]，进而引起大范围垮塌。此时的腾空跨度就是夹层垮塌的临界跨度，因此可以通过计算夹层垮塌的临界跨度来预测夹层垮塌时机。

考虑到水溶造腔形成的腔体为轴对称旋转体、实际工况中造腔管柱尺寸相对于腔体直径而言较小等因素，将夹层的腾空状态简化为均质的无孔圆形板[6]。夹层受力主要包括卤水压力、径向地层应力及其自身重力。由于盐岩具有很强的流变特性，可认为夹层所受的径向应力沿圆弧均匀分布[6]。在这个简化模型的基础上，施锡林等[6]应用弹性板壳理论，考虑垂向力与水平力对夹层的作用，开展了夹层垮塌的临界应力分析，建立了夹层垮塌临界应力数学模型，并得到了夹层垮塌的临界跨度预测模型：

式中 D——夹层垮塌的临界跨度，m；h——夹层厚度，可通过钻井、测井等资料获得，m；E——夹层弹性模量，可通过卤水浸泡条件下的室内岩心力学实验获得，MPa；K——修正系数，是考虑到夹层腾空后不同部位厚度、组分等非均质性而引入，其值可根据实际地质条件取不小于1的正数[6]；σ——夹层所处深度的径向地应力，可通过测井、现场测试等方法获得，MPa；μ——夹层泊松比，可通过卤水浸泡条件下的室内岩心力学实验获得。

以含厚夹层的某储气库为例，夹层厚度为12 m，夹层所处深度的径向地应力为35 MPa，实验测得的夹层弹性模量和泊松比分别为0.748 GPa和0.32，应用上述模型预测该厚夹层垮塌的临界跨度为11 m。

3.2 夹层垮塌规律预测

夹层是否可以垮塌与夹层的厚度、埋藏深度、跨度等密切相关，在室内垮塌机理研究的基础上，利用数值模拟的方法进行垮塌规律预测。以某储气库含盐地层为参考，假定盐层的地应力为静水压力状态，建立模拟模型。该模型以夹层中心为坐标原点，侧面约束其相应的水平位移，底面约束其垂向位移，顶面施加均布荷载，载荷大小等于模型上部岩体的自重。

通过模拟计算发现，夹层的垮塌一般首先开始于夹层的中心及边缘部位，夹层中心部位破损区呈现出从夹层中心向边缘及上部发散状扩展的趋势。夹层边缘破损区呈现出先从边缘底部发展到边缘上部，再从底部和上部同时向边缘内部及夹层中心方向收敛状扩展的趋势。

通过数值模拟得到了各因素对垮塌的影响规律（见图1）。

图1 夹层垮塌影响因素

3.2.1 夹层厚度对垮塌的影响

仅从力学分析的角度来讲，随着夹层厚度的增加，夹层下表面受到的岩层自重会增加，进而腾空夹层下表面受到的应力及夹层与溶腔壁连接处的应力会增加，从而提高了夹层发生垮塌的可能性。

然而，通过模拟计算（见图1a）发现，径向应力随着夹层厚度的增加而逐渐增大，但同时径向位移随着夹层厚度的减小而逐渐增加，夹层的垮塌受夹层径向位移的控制要大于径向应力的控制，因此夹层的厚度越小，夹层越容易发生垮塌现象。

3.2.2 夹层深度对垮塌的影响

对于不同埋深的夹层，其周边的地应力会有所不同，岩石的力学性质也会随之受到较大的影响，夹层的受力状态将发生改变，塑性区分布等都可能会发生较大变化。

由图1b可知，夹层的径向应力和径向位移均随着夹层埋深的增加而逐渐增大，因而当夹层的埋深增加时，增加了夹层发生垮塌的几率。

3.2.3 夹层跨度对垮塌的影响

由图1c可知，随着夹层跨度的增加，夹层的径向应力变小，径向位移逐渐增加，夹层发生垮塌的可能性增加。

这是因为，盐腔直径在造腔过程中是不断增大的，随之增大的还有夹层的腾空跨度，即暴露在卤水中的夹层跨度。随着夹层跨度的不断增大，其自身稳定性将逐渐下降，发生夹层垮塌的可能性增加。

因此，对于某些厚度较大的夹层，在其发生垮塌前将其下部的腔体直径尽量做大，将促进夹层在后续造腔中的垮塌。

3.2.4 盐腔高度对垮塌的影响

由图1d可知，随着腔体高度的增加，夹层的径向应力逐渐减小,当高度达到一定值时径向应力趋于稳定，而夹层的径向位移逐渐增加。即越靠近造腔后期，盐腔高度越大，夹层发生垮塌可能性越大。

这是因为，在造腔过程中，盐腔高度会随着盐岩的溶漓不断扩展，溶漓后腔体纵向尺寸的变大会改变夹层上下表面的卤水压力状况，对夹层的垮塌将产生重要影响。

4 造腔试验方案设计

为了促进厚夹层垮塌、尽可能增加储气空间，在前述水溶机理、水浸力学参数变化规律以及垮塌规律研究的基础上，提出了与施锡林等[7]、郭凯等[9]不同的“充分浸泡夹层、二次建槽”设计思路，并针对某储气库12 m厚夹层进行造腔试验设计（见图2）。该储气库试验井厚夹层以下发育25 m厚盐层，以上发育100 m盐层，试验分为3个阶段。

图2 某储气库厚夹层造腔段的夹层垮塌试验方案示意图

①第1阶段。厚夹层下部盐层一次建槽，其目的是：充分利用资源，增加造腔高度，扩大盐腔体积；将厚夹层以下盐层溶解掏空，为厚夹层上、下腾空提供前期基础。前文预测12 m厚夹层垮塌的临界腾空跨度为11 m。为了有效促使厚夹层垮塌，厚夹层跨度需大于11 m。同时，根据该地区稳定性评价预测盐腔最大直径可以达到70 m。为了使有效储气空间最大化，该阶段初期分别将造腔内管、造腔外管下入厚夹层以下25 m厚盐层的底部和下部，采用小排量正循环溶漓，逐步提升管柱，油垫位置要始终保持在厚夹层以下。

②第2阶段。充分浸泡厚夹层，其目的是通过造腔内管和外管的深度差异，使厚夹层底部和中间的井眼处充分暴露于造腔卤水中，加速厚夹层中可溶物质析出，降低厚夹层力学强度。将造腔内管下入厚夹层以下盐层1～2 m，造腔外管下入厚夹层之上盐层，距厚夹层顶部3～5 m，油垫在厚夹层之上。通过厚夹层之下注水、厚夹层之上排水，增加厚夹层与卤水的接触时间。随着造腔的进行，厚夹层以上盐层也逐渐溶解，形成了一定体积和直径的腔体。此时厚夹层开始出现腾空，其底部和位于井眼周边的顶部均可与卤水直接接触，当腔体直径超过临界腾空跨度后，就可进入第3阶段。

③第3阶段。厚夹层以上盐层二次建槽，同时充分浸泡厚夹层。其目的有两个，一是开展造腔，二是在保证盐腔稳定的条件下，扩大厚夹层腾空跨度，加速厚夹层垮塌。该阶段造腔内管和外管均提升至厚夹层之上，开始厚夹层之上盐层的溶漓，仍采用小排量正循环，扩大盐腔直径和有效体积，增加储气空间。

3个阶段造腔后，根据数值模拟预测，造腔高度47 m时，利用400 d左右时间，可形成最大直径70 m、有效体积4×104m3左右的盐腔。

5 造腔扩大储气空间可行性分析

某储气库针对2口井开展了厚夹层垮塌试验。试验井A采用正循环方式造腔，造腔管柱移动2次，油垫位置调整2次，注水排量30～80 m3/h，平均69 m3/h，累计造腔时间198 d，累计产盐量6.44×104t，折合造腔体积2.98×104m3。声纳检测结果表明12 m厚夹层已经发生了垮塌（见图3）。

试验井B累计造腔时间156 d，累计产盐量3.7× 104t，折合造腔体积1.7×104m3，期间造腔管柱移动3次，油垫位置调整2次，声纳检测4次。从声纳检测结果（见图4）看出：第1、2次声纳测腔之前，受油垫控制，阻隔了厚夹层与卤水的过早接触，并且完成了厚夹层以下盐层建槽；第2次至第3次声纳测腔期间为厚夹层浸泡期，最先接触卤水的厚夹层下倾方向先发生剥落及垮塌，至第3次声纳测腔时，厚夹层浸水时间43 d，垮塌直径10 m左右；第3次至第4次声纳测腔期间，除充分浸泡厚夹层外，同时开展了厚夹层以上盐层建槽，至第4次声纳测腔时，厚夹层发生较大范围垮塌，此时厚夹层累计浸水时间63 d，垮塌直径52.6 m。

图3 试验井A声纳检测盐腔形态侧视图

图4 试验井B的4次声纳检测侧视盐腔形态叠合图

通过两口试验井造腔阶段的跟踪评价认为12 m厚夹层可以垮塌。在该试验区的地质条件下，厚夹层垮塌后上、下盐腔联通，增加了厚夹层以下25 m厚的造腔盐岩段，可将单个盐腔有效体积由12.5×104m3增至14.1×104m3，增加1.6×104m3，单个盐腔工作气量可增加215×104m3，增加了15%。结合储气库注采井数，预测整个地区可增加储气量0.8×108m3。

利用厚夹层以下的盐层造腔，钻井成本、造腔成本、建设周期等均会增加，因此在技术可行性分析的基础上，针对具体目标需要开展经济可行性分析。以上述含12 m厚夹层的储气库为例，经济对比分析表明，利用厚夹层下部盐层造腔新增的工作气成本，仅为上部盐层造腔形成工作气成本的一半左右。即在形成相同工作气量的条件下，该储气库利用下部盐层挖潜比新钻井造腔可节约投资2亿元，具有一定的经济效益。

6 结论

厚夹层一般处于盐湖沉积背景下，组分分析认为夹层内具有5%～15%的可溶物质，夹层浸水后可溶物质溶解，表面会呈现蜂窝状乃至产生裂缝。随着浸泡时间的增加，夹层会逐渐呈片状、层状或块状剥落，岩样中孔隙体积也会增加，导致力学强度降低，有利于厚夹层的垮塌。

使用厚夹层垮塌临界跨度数学模型可预测不同厚度夹层的垮塌时机。利用数值模拟技术获得了厚夹层垮塌规律，即垮塌几率与夹层厚度成反比，与夹层埋深、腾空跨度、盐腔高度等参数成正比，夹层垮塌规律研究可为造腔设计和实施提供参考。

针对某盐矿含12 m厚夹层的含盐地层，设计了增加厚夹层浸泡时间与腾空跨度的二次建槽造腔技术。现场选取2口井开展试验，试验结果表明，12 m厚夹层可以垮塌，该地区厚夹层垮塌后，上、下盐腔联通，可增加造腔盐岩段25 m，提高单腔有效体积1.6×104m3、单腔工作气量15%。利用厚夹层垮塌增加储气空间不仅在技术上可行，且具有一定经济效益。

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（编辑 胡苇玮）

Solution mining technology of enlarging space for thick-sandwich salt cavern storage

ZHENG Yali1,2,ZHAO Yanjie1,2,DING Guosheng1,2,WU Zhide1,2,LU Shouquan3,LAI Xin1,2,QIU Xiaosong1,2,YANG Dong4,HAN Bingjie1,2,WANG Lingxin5
(1.PetroChina Research Institude of Petroleum Exploration & Development-Langfang Branch,Langfang 065007,China; 2.CNPC Key Laboratory of Oil & Gas Underground Storage Engineering,Langfang 065007,China; 3.PetroChina East Pipeline Co.,Ltd.,Shanghai 200122,China; 4.Foreign Cooperation Department,PetroChina,Beijing 100007,China; 5.The Second Mud Logging Company of CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited,Cangzhou 062552,China)

Aiming at the current problem that thick sandwiches are commonly developed in domestic salt mines,this study investigated whether thick sandwiches would collapse to allow connection of salt deposits above and below,consequently increase leaching height and expand single cavern capacity by laboratory experiments,numerical simulation and field tests.The analysis of water-soluble mechanism and changing patterns of mechanical parameters of sandwich layers after water immersion shows that:after water immersion,sandwiches dissolve into honeycomb structure with cracks that easily flake,and the residues occupy small space; after water immersion,mechanical strength of sandwiches decrease greatly,susceptible for failure and collapse.Based on the calculation model for critical limited span,the collapse timing was predicted.In addition,laws of thick sandwiches collapse were obtained by numerical simulation,which indicate that the smaller the thickness,the larger the depth,the larger the limited span and storage height of the sandwiches,the more likely the sandwich will collapse.The design idea of “full immersion and secondary cavity construction” was proposed,and cavern leaching design for a 12 meter thick sandwich in a gas storage was made,and tests on two wells were conducted.The results prove that thick sandwiches could collapse,increasing leaching height and single cavity capacity,and the technology is technologically and economically feasible.

salt-cavern storage; thick sandwich; sandwich collapse; water-soluble mechanism; mechanical parameter after water immersion; cavern leaching design; cavern leaching experiment

中国石油重大科技专项“地下储气库地质与气藏工程关键技术研究与应用”（2015E-4002）

TE972.2

：A

1000-0747(2017)01-0137-07

10.11698/PED.2017.01.17

郑雅丽（1968-），女，吉林松原人，博士，中国石油勘探开发研究院廊坊分院高级工程师，主要从事地下储气库相关技术的研究工作。地址：河北省廊坊市44#信箱，中国石油勘探开发研究院廊坊分院地下储库研究中心，邮政编码：065007。E-mail：zyl69@petrochina.com.cn

2016-04-25

2016-12-20