夹层对盐岩储气库注采运行稳定性影响研究*

张华宾，高 锴，垢艳侠，冉莉娜，李 康

(1.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2.中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

0 引言

盐岩被公认为能源储存的理想场所[1]。我国盐矿资源丰富，但普遍以层状为主，盐层中含夹层较多，夹层厚度不等[2-3]，特别是对于利用废弃老腔改建储库，夹层不但影响到储气库的稳定性，并且多年采卤沉渣占据了腔底的大量空间影响到储气库的储气能力。因此，研究夹层对储气库稳定性和可用性的影响具有重要意义。

国内外学者针对层状盐岩储气库的稳定性评价进行大量研究。20世纪80年代，鲜学福等[4]研究层状岩体不同于其他岩体的变形和破坏特征；2006年，班凡生等[5-6]通过对考虑夹层的盐岩储气库水溶建腔进行动态模拟，发现采用合理的腔体形态控制及夹层破坏工艺，能够在含有多夹层的盐层中建造符合要求的盐岩储气库；尹雪英等[7]基于三维Cosserat介质扩展本构模型[8]计算分析了云应地区的3口盐腔，发现层状盐岩体中刚度、强度较大的泥岩夹层具有强化作用；2011年，王同涛[9]利用FLAC3D有限元数值模拟软件，针对国内某多夹层盐岩储气库建立不同形态盐岩储气库三维数值计算模型，并对计算结果进行对比，优选出最佳方案；马林健等[10]通过分析不同初始内压失控情况下盐岩储气库应力状态、变形和损伤破坏规律，发现溶腔建造时硬夹层总是先于腔体形成明显的屈服带；2012年，张强勇等[11]通过层状盐岩储气库群三维流变地质模型试验研究了注采气速率、运行压力及储气库间距等风险因素对储气库库群运营安全稳定的影响；2015年，Moghadam等[12]采用拉格朗日有限元法建立了能够描述盐岩蠕变过程中剪胀、短期破坏和长期破坏的弹粘塑性本构模型，通过该模型发现与盐岩相比，夹层的存在对储气库的稳定性有显著的影响，特别是当夹层与腔体表面接触时。

综上，夹层物理力学特性对盐岩储气库造腔及运行的围岩稳定性的影响已受到广泛关注。然而储气库长期运行受夹层几何参数影响的相关文献还少有见到。因此，本文通过分析单一夹层的厚度、位置及夹层数量对储气库注采运行过程的影响规律，研究储气库安全稳定性对夹层几何参数的敏感程度，优化储气库建库设计位置，以降低夹层所导致的储气库围岩长期蠕变变形及盐腔收缩的不利影响。

1 储气库数值模型及夹层几何参数对比方案设计

1.1 储气库数值模型及边界条件

为研究夹层几何参数对盐岩储气库注采运行稳定性的影响，以某拟建层状盐岩地下储气库为工程背景，建库段地层中夹层分布不均，厚度1～14 m不等。

基于该工程的实际地质条件，通过WinUbro软件造腔模拟并利用FLAC3D建立三维有限元数值模型，腔高150 m，最大直径76 m，腔体有效体积33.6×104m3。XY平面范围800 m×800 m，竖直面为Z轴方向。上覆岩层的重量等效为立方体模型的上表面荷载，根据地层实际厚度及地层平均密度(2.49×103kg/m3)计算等效荷载。模型立方体下表面受Z方向单向约束，四周纵表面受垂直于表面的法向简支约束。

1.2 夹层几何参数方案设计

为了优化储气库与夹层的相对位置，通过变化夹层x1(厚度)、x2(数量)、x3(位置)，形成如图1所示的12种储气库对比方案腔体结构模型示意图。考虑腔体最大直径处夹层对储气库稳定性有较大影响[13]，本文选定该情况为基准模型。数值结果利用Tecplot软件进行后处理。

图1 储气库腔体结构模型示意Fig.1 Schematic diagram for cavity structure model of gas storage

1.3 计算参数的选取

该库区盐层主要由盐岩、含盐钙芒硝等岩层构成。由室内常规蠕变试验确定岩石力学参数见表1。采用FLAC3DCpower蠕变模型开展盐岩储气库长期稳定性分析，该模型包含Norton和Mohr-Coulomb模型，稳态蠕变率服从于Norton能量法则，其中，Norton幂指数模型的标准形式如式(1)所示：

表1 岩石力学参数Table 1 Mechanical parameters of rock

(1)

根据文献[14]及金坛储气库运行经验，设上限运行压力梯度不超过1.7 MPa/100 m、最小与最大运行压力的经验比值范围是6∶1～2∶1。因此，储气库的运行压力范围可为4～12 MPa。连续循环注采30 a，注采运行循环1 a为1个完整循环周期，每年按365 d计算，1个注采周期内，包括1次加压注气(153 d)、1次降压采气(120 d)和2次恒压关井(46 d)，采气速率0.052 3 MPa/d。

2 夹层几何特征对储气库稳定性的影响

2.1 盐腔围岩最大主应力变化规律

储气库运行过程不允许围岩出现拉应力(即最大主应力大于0)的情况。图2为不同方案运行30 a采气后的围岩最大主应力云图。由图2可知，储气库运行过程中，盐腔围岩主要受压应力作用，呈明显的层状扩散分布，围岩所受压应力较小，向外随距腔体洞壁距离的增加而增大，夹层与盐岩层交界面处应力发生突变。由图2(a),(b)可知，应力突变范围随夹层厚度的增加而扩大，应力突变位置随夹层数量的增加而增多。夹层厚度、数量的增加促使围岩压应力增大进而有效抑制拉应力的产生。由图2(c)可知，盐腔周围所受压应力随夹层到腔体顶板距离的减小先减小后增大，与x1,x2方案相比变化不显著。

图2 不同方案运行30 a采气后最大主应力Fig.2 Maximum principal stress in different schemes after operating 30 years

2.2 盐腔围岩变形规律

围岩变形尤其顶板的沉降是反映盐岩储气库稳定性的1个重要指标。图3为不同方案运行30 a采气后的围岩合位移云图。由图3可知，储气库运行30 a后，围岩变形整体呈层状扩散分布，向外随距腔体洞壁距离的增加而减小，最大位移发生在储气库洞壁上部围岩处。由图3(a),(b)可知，盐腔位移量随夹层厚度、数量的增加呈mm级减小。由图3(c)可知，盐腔位移量随夹层到腔体顶板距离的减小呈mm级增大。

图3 不同方案运行30 a采气后围岩合位移Fig.3 Total displacement of surrounding rock in different schemes after operating 30 years

表2为不同方案运行30 a的腔体顶板位移。由表2可知，不同方案顶板的变形随时间的推移而增大且在采气时大于注气情况。腔体顶板位移随夹层厚度、数量的增加而减小，这是由于夹层的层状沉积结构具有较高的强度，其存在对盐岩具有有效约束作用，而层状沉积结构数量增加，又迫使腔体围岩变形减小，进而有利于储气库的稳定性。另外，腔体顶板位移随夹层到腔体顶板距离的减小而增大。

表2 不同方案储气库顶板位移随时间变化Table 2 Change of roof displacement of gas storage with time in different schemes m

2.3 盐腔体积变化规律

盐岩储气库腔体的体积收缩率是关系到储气库可用性的重要参数。表3为不同方案运行30 a的盐腔体积收缩率。由表3可知，各方案运行30 a后体积收缩率均小于20%，可满足储库稳定性的经验要求[15]。盐腔体积收缩率随时间的推移而增大且在采气时大于注气情况。盐腔体积收缩率随夹层厚度、数量的增加而增大，这是由于夹层与盐岩的刚度比过大，导致2种岩体在相同外界应力作用下，变形极度不协调，随着夹层厚度、数量的增加，这种不协调现象加剧，使得整个储气库的体积收缩率增大。另外，盐腔体积收缩率随夹层到腔体顶板距离的减小而减小，与x2方案相比变化幅度较小。这是由于单个薄夹层对盐岩蠕变的抑制效果不明显。

表3 不同方案储气库体积收缩率随时间变化Table 3 Change of volume shrinkage rate of gas storage with time in different schemes %

3 储气库注采过程稳定性几何参数敏感度分析

利用敏感性分析方法[16]比较夹层几何参数对储气库注采过程稳定性的影响程度。采用单因素敏感性分析法绘制F/F*和xi/x*(i=1，2，3，…，n)曲线(见图4)，横坐标xi/x*表示各模型的几何参数与基准方案之比，纵坐标F/F*表示各模型的系统特性(腔体顶板最大主应力、腔顶位移、盐腔体积收缩率)与基准方案之比，曲线斜率的绝对值定义为敏感度系数。敏感度系数是反映各几何参数对储气库注采过程稳定性的影响程度，敏感系数越大，说明该参数对储气库注采过程稳定性影响越大。

图4 敏感度系数拟合曲线Fig.4 Fitting curves of sensitivity coefficient

由图4可知，当仅考虑某一系统特性的影响时：腔体顶板最大主应力、腔顶位移受夹层厚度x1的影响显著；盐腔体积收缩率受夹层数量x2的影响较大。综合考虑各几何参数的敏感度系数排序为：夹层厚度x1>夹层数量x2>夹层位置x3；夹层位置x3相对于其他几何参数对储气库注采过程稳定性的影响程度较小。

4 结论

1)盐腔围岩所受压应力、围岩变形、盐腔体积收缩率对夹层厚度、数量的反应规律一致。盐腔围岩所受压应力随夹层厚度、数量的增加而增大，夹层与盐岩层交界面处突变更加明显、突变范围扩大，盐腔位移量随夹层厚度、数量的增加呈mm级减小，盐腔体积收缩率随夹层厚度、数量的增加而增大。

2)盐腔围岩所受压应力随夹层到腔体顶板距离的减小先减小后增大(kPa级)，盐腔位移量随夹层到腔体顶板距离的减小呈mm级增大，盐腔体积收缩率随夹层到腔体顶板距离的减小而减小，与x2方案相比变化幅度较小。

3)储气库长期运行对不同夹层几何参数敏感性也不同。当仅考虑某一系统特性的影响时：腔体顶板最大主应力、腔顶位移受夹层厚度的影响显著，盐腔体积收缩率受夹层数量的影响较大。综合考虑各几何参数的敏感度系数排序为：夹层厚度、夹层数量、夹层位置。

4)考虑到造腔过程巨厚夹层垮塌的施工难度、同时避免沉渣过多而减少储气库有效储气空间、降低长期运营风险，建议在储气库设计过程中优先考虑避开建库段厚夹层、尽可能选择夹层数量较少的地层并且储气库顶板附近尽可能不出现夹层。