废弃盐穴地下储气库稳定性研究
第25卷 第4期
岩石力学与工程学报 V ol.25 No.4
2006年4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April ，2006
收稿日期：2005–04–30；修回日期：2005–06–23
基金项目：国家自然科学基金重点项目(50434050)；国家自然科学基金资助项目(50379052)；中国科学院重大方向性项目(150501)
作者简介：陈卫忠(1968–)，男，博士，1990年毕业于山东矿业学院采矿工程系，现任研究员、博士生导师，主要从事岩土工程方面的教学与研究工作。E-mail ：wzchen@https://www.sodocs.net/doc/c118233699.html,
废弃盐穴地下储气库稳定性研究
陈卫忠，伍国军，戴永浩，杨春和
(中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071)
摘要：国际上公认盐岩体是地下能源(石油、天然气)储存最理想的介质，作为储气库的盐岩溶腔，一般都是根据设计要求通过水溶开采形成。目前，国内外鲜见利用地下废弃盐岩溶腔作为天然气储气库的先例。通过对ABAQUS 有限元的二次开发，对某废弃盐岩溶腔的储气库围岩和岩柱的蠕变变形规律及腔顶蠕变损伤区的范围进行数值模拟，并对废弃溶腔作为储气库时的工作压力和储库套管鞋高度设计作了有益的探讨，这对指导工程实践具有一定的指导意义。
关键词：岩石力学；盐岩；废弃盐穴；储气库；蠕变；套管鞋
中图分类号：TU 452 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)04–0848–07
STABILITY ANALYSIS OF ABANDONED SALT CA VERNS USED FOR
UNDERGROUND GAS STORAGE
CHEN Weizhong ，WU Guojun ，DAI Yonghao ，YANG Chunhe
(Institute of Rock and Soil Mechanics ，Chinese Academy of Sciences ，Wuhan ，Hubei 430071，China )
Abstract ：Salt rock is considered as a perfect medium for underground oil and gas storage. Normally ，underground salt caverns for gas storage are formed by aqueous fusion method according to specific design. Presently ，there is no underground natural gas storages operation in abandoned salt caverns in the world. Based on numerical results with finite element method(FEM) code ABAQUS ，the creep behaviors of caverns and rock pillars and the range of creep damage of the cavern roof are approached. Furthermore ，the working pressure for gas storage in abandoned salt caverns and location of casing shoes are discussed. The conclusions drawn from the study can provide useful reference to the practical engineering.
Key words ：rock mechanics ；salt rock ；abandoned salt cavern ；gas storage ；creep ；casing shoe
1 引 言
能源是一个国家的经济命脉，一旦能源发生危机，将引起社会动荡，破坏经济的发展。在世界GDP 前几位的国家中，中国目前是惟一没有建立国家战略储备和民间商业储备的国家。地下能源储存一般放置在盐岩、非渗透性岩层及多孔隙岩层中。目前
世界上已有的地下储气库类型主要包括枯竭油气藏、含水构造地下储气库、盐岩地下储气库、废弃矿井和水密封岩石洞室，而盐岩具有非常低的渗透特性(渗透率＜10
－20
m 2)与良好的蠕变行为，能够适
应储存压力的变化，且其力学性能较为稳定(损伤与损伤自我恢复)能够保证储存硐库的密闭性(J. E. Quintanilha)。因此，国际上公认盐岩体是能源(石油、天然气)储存的最理想的介质。目前全世界各地大约
第25卷 第4期 陈卫忠等. 废弃盐穴地下储气库稳定性研究 ? 849 ?
有五百多座地下储气库，其中有44座是利用含盐岩层[1
～5]
。
就盐岩地下储库而言，目前都是根据储量和服务年限的要求，通过水溶开采形成一定规模的溶腔群。但在某一地区形成(40～50)×104 m 3规模的溶腔群一般需要5～10 a 的周期，而且还需要与之配套的卤水处理化工厂，否则生产的卤水将对环境产生很大的污染。目前，国内外利用盐矿开采形成的废弃溶腔作为调峰储气库鲜见报导。利用废弃盐岩溶腔作为储气库具有建库时间短、成本低等优点，但须对废弃盐穴的长期变形、储库封孔的套管鞋高度等关键技术参数进行评估[6]。
本文应用大型有限元软件ABAQUS 卓越的非线性功能，通过对ABAQUS 软件的二次开发，将实验室蠕变试验所得的盐岩本构模型和ABAQUS 相接，对某废弃溶腔群储库的蠕变变形和工作性态开展数值仿真，本文的研究方法及成果对国内应用废弃溶腔作为储气库时的工作压力及储库压力设计可提供一定借鉴作用。
2 盐岩和含盐泥岩蠕变本构模型
国内外众多学者的实验室试验结果表明：盐岩在偏应力作用下易产生蠕变，且与时间呈高度非线性关系。盐岩的长期蠕变特性比较复杂，一般认为盐岩的蠕变速率与偏应力和温度呈现高阶非线性函数[7
～9]
。因此，盐岩在三轴压力状态下，一般经历
瞬态蠕变、稳定蠕变和加速蠕变3个阶段。由于盐岩的瞬态蠕变时间很短，因此在储气库的稳定性和长期变形时，主要研究盐岩的稳态蠕变特性。N. L. Carter(1993)[10]和K. S. Chan(1997)[11]提出稳态蠕变率的统一表达式，即
)()()(313c cr
T H D f σσσε
?= (1)
式中：)(3c σf 为围压影响函数，)(31σσ?D 为偏差应力影响函数，)(T H 为温度函数。
杨春和等[12]通过对某矿区盐岩及泥岩试样开展常温下的三轴蠕变试验研究，提出了盐岩和含盐泥岩的稳态蠕变率与偏应力和围压密切相关。盐岩的典型蠕变曲线如图1所示，Norton 指数函数形式的蠕变方程为
n ij A )(31cr
σσε?= (2)
图1 盐岩的三轴蠕变试验曲线
Fig.1 Creep behavior of rock salt under triaxial test
式中：cr ij ε 为蠕变应变率；A ，n 均为盐岩的材料特
性参数。
3 废弃盐穴作为储气库的长期稳定性评价
为科学合理地评价废弃溶腔作为储气库的可行性，必须对废弃溶腔已有的蠕变变形进行合理的预测，并对储库储气后的盐岩蠕变变形及废弃溶腔群矿柱的稳定性进行数值模拟。储气库计算和一般洞室群的区别在于：储库无论在溶腔或储气阶段都有内压作用，且在抽放和注气过程中其内压是变化的，而这一过程中的应变速率较大，最易引起破坏。本文通过数值模拟重点研究储库在过去10 a 中所发生的蠕变变形及未来10 a 的储气服务期内因工作状态变化而产生的蠕变变形和破坏范围。 3.1 工程概况
我国某盐岩矿区的盐岩开采已具有20～30 a 的时间，在当地已形成一定规模的地下溶腔群。该矿区地层平缓，构造简单，盐层分布范围大，达60.5
km 2，且分布稳定，厚度大，一般为100 m 以上，盐层的含盐率高，夹层少且厚度较小，直接顶底板均为含钙芒硝含膏泥岩或致密泥岩，抗压强度大，封闭性好，但该矿区水洗形成的溶腔大多数体积太小而无大的利用价值。根据现场的声纳探测结果，溶腔基本呈梨状分布，其中的废弃溶腔群依次按1#，
2#，3#和4#溶腔命名，埋深在900～1 000 m ，腔体体积均为1.5×105 m 3左右，符合天然气储存的基本要求，但储库的间距较小，一般在20 m 左右。储库区域的溶腔形态及岩层分布如图2所示。 3.2 数值计算模型
根据储库的分布特征和埋深，数值分析模型取距离地表525 m ，深900 m 的岩体进行分析。根据岩层分布特征和溶腔形态所建立的有限元计算模型的水平切面和垂直剖面如图3所示。
0.00
0.020.040.060.080.100
10
20
30 40 50
60
时间/h
蠕变/%
? 850 ? 岩石力学与工程学报 2006年
1
—泥岩层；2—盐岩层；3—泥质夹层
图2 废弃溶腔岩层分布
Fig.2 Rock formations distribution of abandoned salt cavern
(a)
1#，2#溶腔的垂直纵剖面
(b)
3
#，4#溶腔的垂直纵剖面
(c) 4个溶腔的水平切面
图3 有限元分析网格
Fig.3 Meshes for finite element analysis
3.3 计算原理和方法
ABAQUS 是大型通用有限元计算分析软件之一，具有较好的非线性分析能力和广泛的模拟性能，有大量不同种类的单元类型、材料本构模型和载荷形式。在本文计算中，盐岩体和含盐泥岩均采用
Drucker-Prager 模型，盐岩的稳态蠕变应采用式(2)，并将式(2)建立的盐岩和泥质盐岩的本构模型以
FORTRAN 语言编写出子程序并和ABAQUS 软件连接。
3.4 初始地应力、岩体基本力学参数和溶腔工作压力
数值分析计算范围内的岩体以泥岩、泥质夹层及盐岩层为主，根据实验室试验结果，本次计算所采用的岩体材料基本力学特性如表1所示。
表1 废弃盐矿岩体基本力学参数
Table 1 Mechanical properties of abandoned rock salt cavern
岩层 弹性模量
E /GPa
泊松比μ
黏聚力 c /MPa
摩擦角 ?/(°)
抗拉强度
/MPa
泥岩
10 0.27 1.0 35 1.0 盐岩 18 0.30 1.0 30
1.0
泥质夹层
4 0.30 0.
5 30 0.5
废弃溶腔的埋深在1 000 m 左右，计算中假定
盐岩初始条件下处于静水压力状态。数值模拟盐矿在初始水溶法开采时，溶腔内壁的工作压力为饱和盐水作用下的静水压力，取值12.0 MPa 。在模拟储气阶段时，首先考虑内腔压力在3个月内由12.0
MPa 升至14.0 MPa ，然后在3个月内降至7.0 MPa ，并在这样的工作压力下工作9.5 a ，储库同采同注，储库的工作压力历时曲线如图4所示。根据实验室岩盐的蠕变试验成果，式(2)中的盐岩及含盐泥岩的蠕变参数如下：
(1) 盐岩：
??
?
??=×=?310018.18n A (3) (2) 含盐泥岩：
??
?
??=×=?210018.18n A (4)
4 数值结果分析
4.1 腔体蠕变变形分析
3
2#溶腔
4#溶腔
3#溶腔
1#溶腔
2#
溶腔
4#溶腔
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图4 盐岩溶腔运行压力示意图
Fig.4 Internal gas pressure of salt cavern during storage
数值计算结果表明在溶腔形成时，溶腔围岩均有较大的变形，各溶腔围岩最大位移均发生在腔顶周围和腔底处。以1#溶腔为例，最大位移在腔顶侧边，为0.134 m ，腔顶处位移为0.095 m 。在溶腔报废的10 a 间，由于内腔有恒定的12.0 MPa 内压作用，因此溶腔的蠕变变形不是太大，1#溶腔的最大合位移仍在腔顶侧边，为0.140 m ，
腔顶处合位移为0.099 m 。储气后，由于储库工作压力的波动，溶腔在经历10 a 储气后，储库盐岩的变形蠕变很大，其最大位移转变到溶腔之间的岩柱，这是因为在溶腔之间岩柱的偏应力较大，因此该部位的蠕变变形也较大，其中1#溶腔最大合位移为0.803 m ，腔顶处移为0.280 m 。表2为4个溶腔在不同时期腔顶的位移值。
表2 4个溶腔腔顶位移变化表
Table 2 Displacement variations of four cavern roofs during
gas storage
不同时期溶腔顶位移/m
溶腔编号
溶腔期间 10 a 废弃期 10 a 储气期
1# 0.095 0.099 0.280 2#
0.105 0.111 0.302 3# 0.090 0.096 0.281 4# 0.083 0.088 0.272
图5～7为4个溶腔在不同时期的位移矢量水平切面图。研究结果表明：储库盐岩在经历10 a 的储气周期后，洞壁发生偏向溶腔内部的变形很大，以
1#，4#溶腔之间的围岩变形尤为明显。 4.2 应力分析
溶腔过程中围岩四周产生应力集中，在盐岩溶
图5 溶腔完时位移矢量图
Fig.5 Displacement vector diagrams of salt caverns after
solution
图6 废弃10 a 后位移矢量图
Fig.6 Displacement vector diagrams of salt caverns after
solution for 10 years
图7 溶腔储气10 a 时位移矢量图
Fig.7 Displacement vector diagrams of salt caverns after gas
storage for 10 years
腔储气过程中，由于溶腔内压力发生较大的变化，围岩的应力也相应产生变化。从溶腔开始到废弃第
10年，由于溶腔内有饱和盐水的静水压力作用，且压力保持在12.0 MPa 不变，溶腔围岩主应力变化不大，但在溶腔储气压力发生变化后，各溶腔围岩应力均发生了较大的变化。以1#溶腔腔顶为例，溶腔
2468101214160 510
15 20
时间/a
压力/M P a
? 852 ? 岩石力学与工程学报 2006年
完成时最大主应力为－17.43 MPa ，废弃第10年时为－17.18 MPa ，储气10 a 后为－11.91 MPa ，如表3所示。
表3 溶腔腔顶应力变化表
Table 3 Variation law of principal stress around cavern
roof during gas storage MPa
1#
溶腔顶
应力
2#
溶腔顶 应力
3#
溶腔顶 应力
4#
溶腔顶 应力
时间
最大 主应力 最小 主应力最大 主应力 最小 主应力最大 主应力 最小 主应力
最大主应力最小主应力
溶腔期间
－17.43 －42.73 －16.23
－38.28 －17.98 －39.00 －17.17－36.94
10 a 废弃期 －17.18 －41.15 －16.05 －37.06 －17.84 －38.37 －17.06－36.2410 a
储气期 －11.91 －35.02 －10.95 －31.05 －12.65 －34.69 －12.31－32.69
从整个流变的过程来看，由于溶腔的压力变化，溶腔围岩应力随着变化，且随着溶腔压力的减小，溶腔围岩的稳定性变差。图8～13
为1#，2#溶腔在
3个不同时期的最大、最小主应力变化图。
图8 溶腔结束时1#，2#溶腔的最大主应力图(单位：
MPa) Fig.8 Contour map of maximum principal stresses for salt
caverns No.1 and No.2 after solution(unit ：MPa)
图9 溶腔结束时1#，2#溶腔的最小主应力图(单位：MPa)
Fig.9 Contour map of minor principal stress for salt
caverns No.1 and No.2 after solution(unit ：MPa)
4.3 溶腔蠕变损伤区演化特征
数值模拟结果表明，在盐岩溶腔、溶腔报废及
图10 溶腔废弃10 a 时1#，2#溶腔的最大主应力图
(单位：MPa)
Fig.10 Contour map of maximum principal stress for salt
caverns No.1 and No.2 after being abandoned for 10 years(unit ：MPa)
图11 溶腔废弃10 a 时1#，2#溶腔的最小主应力图
(单位：MPa)
Fig.11 Contour map of minor principal stress for salt caverns
No.1 and No.2 after being abandoned for 10 years (unit ：MPa)
图12 溶腔储气10 a 时1#，2#溶腔的最大主应力图
(单位：MPa)
Fig.12 Contour map of maximum principal stress for salt
caverns No.1 and No.2 after gas storage for 10 years (unit ：MPa)
储气期内均发生了不同程度的蠕变现象。蠕变主要产生在溶腔围岩，由于4个溶腔的间距较小且岩柱的偏应力水平相对其他位置都要大一些，因此随着时间的变化，溶腔之间岩柱的蠕变特征尤其明显且有互相贯通的趋势。储气10 a 后，溶腔之间的岩柱部位都有蠕变变形现象，蠕变最大值由位置围岩转
第25卷第4期陈卫忠等. 废弃盐穴地下储气库稳定性研究 ? 853 ?
图13 溶腔储气10 a时1#，2#溶腔的最小主应力图
(单位：MPa)
Fig.13 Contour map of minor principal stress for salt caverns No.1 and No.2 after gas storage for 10 years
(unit：MPa)
移到溶腔岩柱处，不同时间的蠕变区如图14，15所示。由图14，15可知在1#，4#溶腔之间的岩柱产生的蠕变很大，这将影响到储气库长期稳定性。因此在储库压力设计时因充分考虑这些因素的影响。
图14 10 a流变后溶腔围岩蠕变
Fig.14 Creep area of surrounding rock salt caverns during the caverns abandoned for 10 years
图15 溶腔围岩储气10 a流变后蠕变图
Fig.15 Creep area of surrounding rock salt caverns after gas storage for 10 years
另外，作为储气库封孔的重要技术参数的套管鞋的高度取决于腔顶蠕变损伤区的范围，因为盐岩的蠕变损伤区一旦发展到腔顶上方套管鞋的位置，将影响套管的正常工作，这是工程设计决不允许的。从本次计算的结果来看，4个溶腔中，3#溶腔的蠕变范围最大，接近7.80 m，但蠕变应变不大；2#溶腔尽管影响范围不大，但蠕变应变最大，达到0.18%。随着离腔顶距离的增加，蠕变有逐渐减小的趋势，如图16所示。因此，在实际设计时，应充分考虑溶腔腔顶的蠕变范围和蠕变应变值，避免将套管鞋布置在蠕变影响的范围之内。
图16 4个溶腔蠕变距腔顶距离变化图Fig.16 Creep strain of rock salt above four cavern roofs
4.4 塑性区分布
塑性区的出现是在溶腔完成之后，在溶腔腔底特别是溶腔与溶腔之间(岩柱)的区域易出现塑性区。如图17所示，塑性区范围一般为6～10 m。塑性区随盐岩的蠕变扩展范围变化不大，且溶腔之间塑性区也没有贯通。
图17 储气10 a后溶腔塑性区分布
Fig.17 Distribution of plastic zone after gas storage for
10 years
距腔顶距离/m
黏
性
应
变/
%
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5 初步结论与建议
通过对4个废弃溶腔的数值模拟，可得到以下基本结论：
(1) 由于盐岩的蠕变性，较低的溶腔储气压力将产生较大的围岩变形；同时，由于溶腔储气压力的变化使得溶腔围岩应力随着变化，且随着溶腔压力的减小，溶腔围岩的稳定性变差。
(2) 对于废弃溶腔群盐穴地下储气库，盐岩最大蠕变应变发生在溶腔之间的岩柱区域，且随着时间的增长，溶腔的蠕变损失区有相互贯通的趋势。因此，在储库压力设计时，应设计成同采同注的工作方式，确保储库的长期稳定性，以免带来不必要的后果。
(3) 盐岩溶腔和岩柱在偏应力作用下产生蠕变，储库设计中可以根据腔顶周围产生蠕变变形的范围确定套管鞋的合理位置，由于盐岩蠕变损伤，应确保套管鞋埋设在蠕变损伤区之外。
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国外盐穴地下天然气储气库建库技术发展
万方数据
第９卷第１期郭彬等．国外盐穴地下天然气储气库建库技术发展２００２年１月 可以采用正向循环，也可以采用反向循环，洞穴的淋洗过程见图２。这２种方法都可以使盐穴得到稳定的形态。法国索非公司的建库经验证明，通过对２种方法进行对比发现，反向淋洗的采盐率比正向淋洗的采盐率高得多。 图２洞穴淋洗过程示意图 大部分情况下，盐层中含有一定的硬石膏和页岩夹层。在溶矿期间，不坚实的岩层会掉到盐穴的底部，堆成碎石堆，结果使储气空间减少。在有些情况下，碎石所占的体积为整个盐穴开采体积的３０％～４０％。 为了控制并保证气库顶上方的淋洗质量，不破坏气库的完整性，以及其承压能力不受到损害，通常采用比水轻的碳氢物质（如丙烷、丁烷、柴油）作为表面材料喷涂在盐穴顶表面。这些材料通常是防腐的水不溶物，它们附着在盐的表面，可以防止盐穴淋洗时，上部盐被溶解下来。实践证明，应用效果较好。 ３深度、几何形状及大小 由于盐丘与盐层的性质各异，在盐丘及盐层上，造穴的具体设计也不同。对于盐丘来说，在造穴深度上有很大的弹性，盐穴深度可达到１８２８．８ｍ（６０００ｆｔ）以下；但对盐层来说，１８２８．８ｍ就是造穴深度的最大极限值。美国Ｐ睁ＫＢＢ公司经计算并研究认为，当盐穴的深度达到１０６６．８～１５２４．０ｍ（３５００～５０００ｆｔ）时，在钻井、淋洗盐穴、气体压缩及气库运行等方面所花的费用都是最经济的。 初始的溶腔形状是圆柱形，经改造后，可以形成圆形。改造的原因是，圆形经岩石力学理论证明，最稳定。 对于盐层储气库来讲，尽管球形是一个理想 的形状，但由于有些盐层给出了限定的厚度，并希望建得尽可能大，以减少工程费用。因此，实际的工作中，盐穴的溶腔形状就会被建成为扁椭圆形。确切的溶腔几何形状由声纳扫描仪进行检测（见图３）。 图３声纳测试示意圈 在美国，储气库溶腔的大小是以最低可容纳的工作气体积来设计。一般来说，设计的最小溶腔一般可容纳８４．９５１～１６９。９０２ｄａｍ３的工作气，单个大气穴可建在盐丘上，而盐层则不同，它可以建若干个小气穴，以满足储气量的要求。 ４密封性 在向盐穴注入天然气期间，水蒸气的含量和水的露点温度会有所增加，这是因为要从剩余的盐中吸收水蒸气的结果。因此，将气库中的气体送到分支管线之前需要配备相应的地面设施和动力，对气体进行干燥。 西德建盐穴储气库的密封经验是在盐穴的表面安置一个密封夹层，使其具有对水蒸气的渗透尽可能低的特性，以防止或减缓气体中水蒸气含量的增加［３］，这个密封层对防止产生气体水化层及管线腐蚀也有一定的作用。 气穴建好后，还需要对其进行密封性试验［４］。通常，外部水压实验可以用于气库结合面的密封性实验。但这还不够，因为水在结合面处不漏并不等于从里到外都不漏。对于盐穴气库而言，最后水泥套管及生产管柱从内至外的密封性试验非常严格。由于这个原因，在对套管及生产管柱进行密封性试验时，都采用市场上可提供的ＨＯＬＤ 系统——氦气漏失探测仪（见图４）。 万方数据
盐穴储气库调研报告
盐穴储气库调研报告 目录 一、引言 (2) 二、国内盐穴储气库现状 (2) 三、盐穴储气库盐岩岩性特征 (3) 四、盐穴储气库工艺方法 (4) 4.1.1老腔改建储气库成套技术 (4) 4.1.2建腔工艺技术 (4) 4.1.3溶腔技术 (5) 4.1.4腔体气密封检测 (6) 4.1.5造腔油水界面监测 (7) 4.1.6高效注气排卤 (7) 4.1.7连续油管排卤 (8) 4.1.8天然气回溶腔体修复 (9) 4.1.9夹层处理 (9) 4.1.10盐穴储气库运行监测技术 (9) 五、盐穴储气库的认识与建议 (13)
一、引言 按盐在地下存在的方式，盐穴储气库可划分为盐岩层储气库和盐丘储气库2种。简易建造盐穴储气库的工艺过程是利用采盐井或新钻井眼作为溶腔，经注水管注入淡水进行溶解，由排水管排出卤水，并在注水管与套管之间的环空内注入一定量的非溶剂隔离液，以防止盐穴穹隆顶溶解，为控制盐腔几何形状的稳定，还须调整注水管和采卤管的相对位置由采出盐量和声纳测试确定盐穴容积和几何形状，当达到设计要求的空间几何尺寸后，可一边注气一边采卤, 直到卤水基本被采完，继续注气达到设计压力，关井待用。 二、国内盐穴储气库现状 中国盐穴储气库的建设历程划分为技术研究与探索、技术消化与形成、技术成熟与发展3 个阶段，在建设过程中形成了老腔改造、腔体气密封测试、光纤测试油水界面以及高效注气排卤等多项特色技术。为保证盐穴储气库的安全稳定运行，提出了一套在注采运行过程中监测井口温度压力、地面沉降、腔体形态、井筒完整性在内的体系及方法。指出中国盐穴储气库建设存在造腔速度慢、老腔改造难、适建库址少等问题。 截止2015年，世界范围内13个国家运行着90多座盐穴地下储气库，其中美国、德国、加拿大是拥有盐穴储气库最多的3个国家，我国目前在运行1座盐穴地下储气库即金坛储气库。 中国境内虽然含盐盆地众多，岩盐资源丰富，分布范围广，埋深从几十米到几千米不等，但盐矿普遍表现为以层状为主，具有矿层多、单层薄、夹层多、夹层厚、埋层过浅、埋藏过深等特点，缺乏适合建设盐穴储气库的优质盐矿资源。
地下储气库的建设与发展
地下储气库的建设与发展 发表时间：2019-01-17T14:35:40.557Z 来源：《防护工程》2018年第31期作者：贾新辉郭志明何长宏张英东 [导读] 这不仅对于天然气公司的品牌信誉产生影响，同时造成生活生产中不便利，与国外发达国家存在不小的差距。 中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司储气库管理处陕西西安 710000 摘要：地下储气库在进行调控峰值以及稳定提供天然气上是十分重要的。中国天然气地下储气库由于发展尚未成熟，但是国家对于天然气使用的普及，基本上多数居民都能用上天然气，这种供给与需求的不对等，造成地下储气库调控峰值能力无法满足其需求。这篇论文是根据实际工作经验，站在较为宏观角度上，对目前中国天然气建设技术现状进行分析，然后根据经验对于地下储气库未来需求提出相关建议，帮助地下储气库建设与发展提供想法。 关键词：地下储气库；建设技术；发展；建议 引言 地下储气库建设是根据不同的储气库特性，将天然气进行压缩储存的技术方式，并且在各种天然气使用高峰期将其取出，满足高峰时期居民的使用要求，所以在进行储存、调控峰值的过程中各个技术使用操作都十分重要。现在天然气储气库建设已经发展一段时间，但是由于发展进度赶不上时代改变，所以在需要调控峰值的阶段，地下储气库无法完全发挥其作用，这不仅对于天然气公司的品牌信誉产生影响，同时造成生活生产中不便利，与国外发达国家存在不小的差距。 1地下储气库建设技术的当前现状进展 1.1枯竭油气藏建设地下储气库技术 枯竭油气藏是当前最为适合建设地下储气库的技术方式，在中国也是建设地下储气库的首要之选，目前由于气田的开采不断进行，已经出现枯竭油气田的开发基本经历了产量升高、产量稳定、产量减少的几个阶段，现在气田地层压力已经下降至废弃压力的附近区域。对于这几个开采阶段研究，建设枯竭油气藏地下储气库是可靠有效的。但是当前中国对这项技术开始发展，但是研究使用较为不成熟，在枯竭油气藏地下储气库运营、使用、监控等方面技术工艺还处于初级阶段，系统零散，体系混乱。但是经过国内研究，在以下几点已经有了研究成果：第一，对枯竭油气藏地下储气库调控峰值方式进行相应的改善优化，提出京津冀地区高峰值时间调控峰值的可行性方案；第二，对于一些特殊地区输气管道腐蚀问题进行阐述探讨，研制出合理的修复气井的工艺流程；第三，对于地下储气库的管理维护系统的问题进行分析，总结有效的运行管理技术经验，形成切实可行的科学技术。通过对于以上枯竭油气藏建设地下储气库技术研究，已经解决较为核心的问题，但是其技术发展还有较远的路要走。 1.2盐穴储气库技术研究及应用现状 这些年以来，由于盐穴地下储气库可以弥补金属储气罐的各种不足，所以这两年来得到较大的关注与研究，国内外由于应用需求，对盐穴地下储气库的各个方面进行分析研究：水溶开采技术、腔体建造工艺、稳定性检测、密封性提升等。同时对于盐穴地下储气库，中国对此研究深入，形成自己特色的技术工艺。中国对于盐穴地下储气库的建设经历了技术探究、技术应用与改善、成熟与完善阶段，目前中国对于盐穴地下储气库建设已经拥有多项特色专利技术，完成老腔的改善扩建、腔体密闭性检测、光纤检测油水临界面等，同时为了能够提高盐穴地下储气库高效运营，研究出相关的体系技术方法。但是中国盐穴地下储气库，仍然还存在腔体建造速度缓慢、腔体形态不适合、改造困难、适宜建造地下储气库地址较少的问题。 2对于中国地下储气库建设技术需求研究及建议 通过上述对于中国建设地下储气技术研究，并且针对不同特征的储气库其技术发展水平也是不太一致，中国目前枯竭油气藏地下储气库建设技术因为起步较晚，基本发展时间较长，已经进入初级发展阶段，较国外先进技术水平有较大差距，但是盐穴地下储气库建设技术能够有自己特色技术，发展较为顺利，但是属于新兴技术，有其薄弱环节亟待解决，为了面对今后的挑战，需要摸清未来的需要，尽快进行研究开发，帮助中国地下储气库更上一个台阶。 2.1优化枯竭油气藏地下储气库 目前枯竭油气藏地下储气库建设技术在国内使用较为广泛，并且在各个专家学者的研究下，其相关技术也有较好的发展，但是目前为止还是处于初级阶段，系统问题层出不穷，这就需要各个公司能够根据我国东西部地质环境条件，对于需要改扩建的枯竭油气藏地下储气库建设技术进行研究优化，根据本单位的执行方案，提出以下建议：第一，积极研究国外先进的技术经验与管理理念，优化运营，改善生产技术，加快发展进程；第二，对于枯竭油气藏地下储气库各个方面的地质勘查、方案设计、工作原理、建库手段、采气井网布置进行研究开发，研制出属于中国特色创新技术，拥有企业核心发展力。 2.2改善盐穴储气库薄弱环节 对于盐穴储气库，我国企业已经开发研制出多种中国特色技术，所以可以将精力集中在盐穴储气库较为薄弱的环节，进行突破研究：第一，提高水溶开采中夹层垮塌控制水平；第二，地下储气库运行过程中，防止天然气水合物产生，提高天然气品质；第三，利用建设技术改善与管理优化，加快腔体建造速度，提高生产效率；第四，根据地质环境选择合适腔体形态分析。 2.3制定地下储气库管理标准 无论利用那种地下储气库建设技术，都应该根据技术特征、使用需求、安全等级，制定地下储气库建设管理标准，改善目前国内对于地下储气库规范标准不全面，企业应该按照自己需求，进行相应补充。这些企业规范与标准的建立健全，可以帮助地下储气库减少使用风险，减少维修率，提高使用效率，增加收益。 2.4建设数字化地下储气库 中国建设地下储气库受到地质环境问题的影响，所以建设复杂，并且对于潜在危险忽略，这导致我国企业技术在对于储气库建设中规划设计、施工建设、运行使用中皆与国外有较大差距，实质性原因就是进行地下储气库数字化建设。所以，企业应该实现全寿命周期的数字化系统建设，能够建立数字化地下储气库，直接实现流程各个环节的实时监控，建立以储备地层渗流为关键、井网－地上为限制约束条件，集地下地面于一体的三维仿真数值模拟技术，建立数字化储气库，实现储气库地下－井网－地上的多维度设计、运营模式管理，提高
废弃盐穴地下储气库稳定性研究
第25卷 第4期 岩石力学与工程学报 V ol.25 No.4 2006年4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April ，2006 收稿日期：2005–04–30；修回日期：2005–06–23 基金项目：国家自然科学基金重点项目(50434050)；国家自然科学基金资助项目(50379052)；中国科学院重大方向性项目(150501) 作者简介：陈卫忠(1968–)，男，博士，1990年毕业于山东矿业学院采矿工程系，现任研究员、博士生导师，主要从事岩土工程方面的教学与研究工作。E-mail ：wzchen@https://www.sodocs.net/doc/c118233699.html, 废弃盐穴地下储气库稳定性研究 陈卫忠，伍国军，戴永浩，杨春和 (中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071) 摘要：国际上公认盐岩体是地下能源(石油、天然气)储存最理想的介质，作为储气库的盐岩溶腔，一般都是根据设计要求通过水溶开采形成。目前，国内外鲜见利用地下废弃盐岩溶腔作为天然气储气库的先例。通过对ABAQUS 有限元的二次开发，对某废弃盐岩溶腔的储气库围岩和岩柱的蠕变变形规律及腔顶蠕变损伤区的范围进行数值模拟，并对废弃溶腔作为储气库时的工作压力和储库套管鞋高度设计作了有益的探讨，这对指导工程实践具有一定的指导意义。 关键词：岩石力学；盐岩；废弃盐穴；储气库；蠕变；套管鞋 中图分类号：TU 452 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)04–0848–07 STABILITY ANALYSIS OF ABANDONED SALT CA VERNS USED FOR UNDERGROUND GAS STORAGE CHEN Weizhong ，WU Guojun ，DAI Yonghao ，YANG Chunhe (Institute of Rock and Soil Mechanics ，Chinese Academy of Sciences ，Wuhan ，Hubei 430071，China ) Abstract ：Salt rock is considered as a perfect medium for underground oil and gas storage. Normally ，underground salt caverns for gas storage are formed by aqueous fusion method according to specific design. Presently ，there is no underground natural gas storages operation in abandoned salt caverns in the world. Based on numerical results with finite element method(FEM) code ABAQUS ，the creep behaviors of caverns and rock pillars and the range of creep damage of the cavern roof are approached. Furthermore ，the working pressure for gas storage in abandoned salt caverns and location of casing shoes are discussed. The conclusions drawn from the study can provide useful reference to the practical engineering. Key words ：rock mechanics ；salt rock ；abandoned salt cavern ；gas storage ；creep ；casing shoe 1 引 言 能源是一个国家的经济命脉，一旦能源发生危机，将引起社会动荡，破坏经济的发展。在世界GDP 前几位的国家中，中国目前是惟一没有建立国家战略储备和民间商业储备的国家。地下能源储存一般放置在盐岩、非渗透性岩层及多孔隙岩层中。目前 世界上已有的地下储气库类型主要包括枯竭油气藏、含水构造地下储气库、盐岩地下储气库、废弃矿井和水密封岩石洞室，而盐岩具有非常低的渗透特性(渗透率＜10 －20 m 2)与良好的蠕变行为，能够适 应储存压力的变化，且其力学性能较为稳定(损伤与损伤自我恢复)能够保证储存硐库的密闭性(J. E. Quintanilha)。因此，国际上公认盐岩体是能源(石油、天然气)储存的最理想的介质。目前全世界各地大约
储气库建设问题研究
储气库建设问题研究 摘要 地下储气库是天然气生产调峰和天然气资源储备的最佳选择，是保证天然气安全供应的基本手段。国外发达国家的地下储气库建库技术已经比较成熟，地下储气库运行管理技术、相关的技术标准、规范和法律也比较完善。国内枯竭气藏建库技术基本成熟，枯竭油藏建库技术尚在摸索之中，盐穴储气库建库技术取得了长足的进步，含水层构造储气库的研究才刚起步。本文论述了地下储气库的特点与类型，国内外地下储气库的发展情况、地下储气库的注采气工艺流程。展望了中国地下储气库的未来，建库目标将从目前的调峰型向战略储备型方向延伸及发展，建库技术水平也将在实践中不断得到提高。 关键词：地下储气库，天然气，枯竭油田，含水层 目录 第1章前言 (1) 第2章地下储气库的作用和类型 (3) 2.1地下储气库的作用 (3) 2.2地下储气库的类型 (5) 第3章地下储气库建设的发展趋势 (6) 3.1地下储气库气体构成及发展趋势 (6) 3.2地下储气库建设发展趋势 (6) 3.3我国地下储气库的发展趋势 (8) 第4章结论 (10) 参考文献................................................. 错误！未定义书签。致谢................................................. 错误！未定义书签。
第1章前言 从上个世纪以来，我国的整体综合实力得到飞速发展，这使我国能源、交通、国防等方面的建筑都向修建大型的地下工程方向发展。而地下储气库在我国发展比较晚，到目前为止地下储气库也比较少，真正意义上的地下储气库是大张沱储气库，但是这与发达国家相比还是有很大的差距，为了实现经济的持续增长的目的，国家促使我国天然气工业的大规模发展，并已经确定把利用天然气作为改善大气环境、优化能源结构的重要措施。 天然气在当代社会中，无论是人们的生产，还是生活都已经被广泛应用，另外天然气也是必须的战略储备；并且可以应用于商业运作，提高经济效益；但是它也存在着许多可能遇到的问题，例如在单气源的城市，如果管道发生导致供气中断的事故时，就会是整个城市的供气中断，随着天然气进口的增加，堕之增加还有供气的政治风险，既也有可能因为政治原因导致管道供气中断。这些问题都是正常用气的潜在隐患，地下储气库作为应急气源即可保证上述意外出现时仍然有正常供气，并且有更好的安全保障，发生意外爆炸事故的概率非常小，即使战争爆发，地下储气库受到影响也要远远比地上设施小的多。另外，一直以来天然气的供需都存在着不均衡性，如在京津地区夏季低峰用气和冬季高峰用气相差数倍，但仅仅靠管道的调节是无法满足需求的。以上这些原因必将使地下储气库迅速发展。天然气工业在我国仍处于刚发展阶段，要想使我国地下储气库的发展水平赶上发达国家仍然是任重而道远的。
储气库-基本情况
储气库 1 地下储气库特点与类型 地下储气库是将长输管道输送来的商品天然气重新注入地下空间而形成的一种人工气田或气藏，一般建设在靠近下游天然气用户城市的附近。 与地面球罐等方式相比较，地下储气库具有以下优点：储存量大，机动性强，调峰范围广；经济合理，虽然造价高，但是经久耐用，使用年限长达30～50年或更长；安全系数大，安全性远远高于地面设施。 目前世界上典型的天然气地下储气库类型有4种：枯竭油气藏储气库、含水层储气库、盐穴储气库、废弃矿坑储气库。 ① 枯竭油气藏储气库 枯竭油气藏储气库利用枯竭的气层或油层而建设，是目前最常用、最经济的一种地下储气形式，具有造价低、运行可靠的特点。目前全球共有此类储气库逾400座，占地下储气库总数的75%以上。 ② 含水层储气库 用高压气体注入含水层的孔隙中将水排走，并在非渗透性的含水层盖层下直接形成储气场所。含水层储气库是仅次于枯竭油气藏储气库的另一种大型地下储气库形式。目前全球共有逾80座含水层储气库，占地下储气库总数的15%左右。 ③ 盐穴储气库 在地下盐层中通过水溶解盐而形成空穴，用来储存天然气。从规模上看，盐穴储气库的容积远小于枯竭油气藏储气库和含水层储气库，单位有效容积的造价高，成本高，而且溶盐造穴需要花费几年的时间。但盐穴储气的优点是储气库的利用率较高，注气时间短，垫层气用量少，需要时可以将垫层气完全采出。目前世界上有盐穴储气库共44座，占地下储气库总数的8%。 ④ 废弃矿坑储气库 利用废弃的符合储气条件的矿坑进行储气。目前这类储气库数量较少，主要原因在于大量废弃的矿坑技术经济条件难以符合要求。 2 国际上地下储气库发展 地下储气库的历史可以上溯到20世纪初。1915年。加拿大建成世界上第一座地下储气库。到目前为止，全世界有地下储气库550座左右，可以进行调峰的气量约3500×10m。这些储气库分属不同国家的逾100家公司，其中既有储气量超1000×10m的天然气上下游一体化的大型跨国公司，也有仅单纯经营1～2座地下储气库的小公司。 由于地下储气库在调峰和保障供气安全方面具有不可替代的作用和明显的优势，因而越来越受到许多国家的重视。相关资料显示，全球10%左右的天然气用气量由地下储气库供应，西欧国家和俄罗斯分别达到20%、30%。就国际上储气库发展趋势看，欧美国家正在不断加大储气库的建设力度，增大储气量，除了常规的
国内储气库建设现状
近年来，随着我国经济的快速发展，对天然气的需求量也持续增长，国内输气管道建设规模不断扩大，遍及全国的天然气管道网络基本形成，相应的天然气网络的供气安全也面临着极大挑战。 2009年末，受特殊天气影响，全国多个地区出现“气荒”，中石油等上游供气企业制定了一些应急规划，各下游燃气企业也着手准备小型液化天然气(LNG)储备站等储备调峰措施。中国石油天然气股份公司规划在2020年前建成有效工作气量达450×108m3的地下储气库，其中2011年～2015年，要先期在六个油田（大港油田、华北油田、辽河油田、西南油气田、新疆油田、长庆油田）建设10座总工作气量达240×108m3的地下储气库。根据目前初步完成的构造筛选工作，第一批地下储气库库容指标预测如表1.2-1。 表1.2-1 中石油规划第一批地下储气库汇总表
根据股份公司勘探与生产分公司审查，唐家河地下储气库不具备建库条件，大港油田板南地区共有三个断块符合建库条件，分别是：板G1断块、白6断块和白8断块，有效工作气量合计4.27×108m3。 本报告主要对板南地下储气库地面工程建设的可行性进行研究。 2、我国已建地下储气库建设现状 地下储气库是输气管道建设不可缺少的重要组成部分，1999年大港油区大张坨地下储气库的建设，正式揭开了我国大型城市调峰型地下储气库建设的序幕，随后几年，股份公司相继将大港油区的板876气藏、板中北高点气藏、板中南高点气藏和板808、828油气藏改建成与陕京线、陕京二线配套的地下储气库，并将华北油田的京58气藏、永22气藏改建成与陕京二线配套的地下储气库，将金坛盐穴改建成与西气东输管道配套的地下储气库，且计划将江苏刘庄气藏改建成与西气东输配套的地下储气库，同时对金坛储气库进行扩建，建设金坛二期工程。已建及在建地下储气库概况如表1.2-2和表1.2-3。 表1.2-2 我国已建地下储气库汇总表 、 ）
我国的储气库现状
我国的储气库现状： 我国在大庆曾利用枯竭气藏建造过两座地下储气库。萨尔图1号地下储气库于1969年由萨零组北块气藏转建而成，最大容量为3800×104m3，年注气量不到库容的1/2，主要用于萨尔图市区民用气的季节性调峰。在运行十多年后，因储气库与市区扩大后的安全距离问题而被拆除;又于1975年建成大庆喇嘛甸地下储气库，该地下储气库是大庆合成氨的原料工程之一，建在喇嘛甸油田气顶部，地面设施的设计注采能力为40×104m3，D95年注气量为2060×104m3，不足库容的0.5%，通过近年来的两次扩建，大庆喇嘛甸地下储气库的日储气能力达到100×104m3，年注气能力达到1.5×l08m3，总库容己经达到25.0×l08m3，，到目前为止已经安全运行30年，累计采气10×l08m3。 我国首次大规模采用储气库调峰是在陕京输气管道工程。为了解决北京市季节用气的不均衡性问题，保证向北京市稳定供气，1999年修建了大港油田大张坨地下储气库。大张坨地下储气库采用目前国内最先进的循环注气开采系统，有效工作采气量为6×l08m3/a，特殊时期的最大日调峰能力为 1000×104m3。大港储气库除了供应北京以外，还有部分天然气供应天津、河北沧州等地。为保证供气安全，2001年来，继大张坨地下储气库后又建成了板876地下储气库，板中北高点地下储气库。3座地下储气库全部为凝析油枯竭气藏储气库，位于地下2200～2300m处，四周边缘为水，较好的地层密封性避免了天然气流失。3座地下储气库日调峰能力为1600×104m3，最大日调峰能力将达到 2930×104m3。其中，板876地下储气库年有效工作采气量为l×l08m3，最大日调峰能力为300×104m3，板中北高点地下储气库年有效工作采气量为4.3×l08m3。大港3个储气库己经累计注气近8×l08m3，而且配套设施完善，能够在3min内启动整个应急供应系统，保证了北京的用气需量。 为保证西气东输管道沿线和下游长江三角洲地区用户的正常用气，现在长江三角洲地区选择了江苏省金坛市的金坛盐矿和安徵省定远币的定远盐矿建设盆穴地下储气库。这两个盐矿地理位置优越，地质条件得天独厚，盐矿储量规模大，含盐品位高，地面淡水资源丰富，盐矿开采己形成一定规模。设计总的调峰气量为8×l08m3，有效储气量为17.4×l08m3，建成后日注气量为1500×104m3，日采气量范围4000×104m3，完全可以满足长江三角洲地区季节调峰的要求，将于2008年前建成投入使用，2020年达到建设规模。初设金坛单腔盐穴几何形状为边部不规则的短轴椭球形腔体，盐穴高度为135m(顶、底部预留密封厚度),平均直径为55m，储气容积达到25×104m3。在储气库运行工作压力范围为5.5～16MPa，储层温度为45℃的情况下，有效工作气量可以达到2900×104m3。确定建库部署23个盐穴(部分利用老溶腔)，可形成储备有效的工作气量6.7×l08m3。定远盐矿埋藏浅，盐层顶面一般在300～400m 之间，可建单腔盐穴储气体积8.54×104m3。在储气库运行工作压力为2～6.3MPa，储层温度为20～33℃的情况下，有效工作气量为400×104m3。初设建库部署36个盐穴，形成总储备有效工作气量1.4×104m3。 为完善陕京二线天然气输配系统，我国拟在华北地区建设一座新的地下储气库。通过前期对华北地区建库库址的筛选评价，认为华北油田任11井潜山油藏在建库地理位置、地质条件以及注气提高原油