韓琳琳，廖鳳琴，蔣小權，陳劍文

（中國地質大學（武漢）工程學院，武漢 430074）

1 引 言

目前，鹽巖作為地下儲氣介質是最經濟、最安全的。但當地下儲氣庫修建不合理或人為操作不當，均會造成能源的泄漏而引起大面積的火災、爆炸。雖然國內外很多專家對儲氣庫進行了深入的研究，但目前國內還沒有對儲氣庫的適用性提出全面的評價標準。為了工程的安全性和經濟的適用性，有必要提出一個全面的儲氣庫適用性評價標準。

筆者對已發(fā)生的14起儲氣庫事故[1]進行分析，歸納出事故原因有：儲氣庫密閉性失效、儲氣庫圍巖過度變形和跨塌、運行壓力不當等主要影響因素。在分析事故的基礎上，提出了儲氣庫適用性評價標準（evaluation standard of applicabilities for gas storage in rock salt, ESAGSRS）。

2 儲氣庫適用性評價標準（ESAGSRS）

研究試驗數據和閱讀大量文獻后，結合失事案例的原因，筆者綜合考慮影響儲氣庫適用性的各個因素，提出 ESAGSRS，用以全面地評價儲氣庫的適用性，見表1、2。該評價標準包含儲氣庫的穩(wěn)定性和密閉性兩大方面，具體評分依據將分別論述。

3 儲氣庫的穩(wěn)定性

巖石地下工程的穩(wěn)定性[2]是指其在正常的使用情況下，必須保持預定的尺寸和形狀，滿足其他特殊性的要求。筆者在閱讀大量參考文獻以及研究金壇、云應、潛江等地儲氣庫（設計）資料的基礎上，得出儲氣庫的穩(wěn)定性與頂和底板的性質、鹽巖層及夾層的性質、鹽巖層與夾層交界面的性質、溶腔最大和最小壓力及注采速率、溶腔形狀及礦柱距離 5個因素有關。

3.1 頂、底板的性質

頂底板的性質對穩(wěn)定性的影響包含頂底板的巖性及預留鹽層的厚度兩個方面。資料顯示，我國儲氣庫的頂底板的巖性有鹽巖及高鹽分泥巖、鈣芒硝巖及硬石膏巖、泥巖及粉砂巖、泥灰?guī)r及鈣質泥砂巖4種巖石。鹽巖及高鹽分泥巖的力學性能比其他巖石好，最適合為頂底板。其次分別為：鈣芒硝巖及硬石膏巖、泥巖及粉砂巖、泥灰?guī)r及鈣質泥砂巖。

溶腔建造之后，在一定時間內肯定會發(fā)生一定的形變。因此，要預留一定厚度的鹽層，可以抵抗和消減溶腔形變對上部及地表的影響。資料顯示[3]，預留鹽層的最小厚度為 20 m，預留鹽層的厚度越大，對儲氣庫的穩(wěn)定越好。綜合考慮，在儲氣庫穩(wěn)定性中，該項所占評分權重為10%。

3.2 鹽巖層及夾層的性質

在儲氣庫的穩(wěn)定性中，夾層的巖性、位置、厚度、數量，鹽巖層的厚度以及鹽巖、含夾層鹽巖的單軸抗壓強度對穩(wěn)定性均有影響。其中各層的單軸抗壓強度、夾層及鹽巖層的厚度對穩(wěn)定性影響較大。

3.3 鹽巖層與夾層交界面的性質

在三軸壓力條件下，鹽巖與夾層力學性質的差異都非常明顯，與強度高、橫向變形能力弱的夾層相比，鹽巖的強度低，橫向變形能力強的特征會導致鹽巖與其夾層交界面上產生變形不協(xié)調現象，導致界面處出現局部剪切破壞，進而影響到儲氣庫的穩(wěn)定性。

表1 儲氣庫穩(wěn)定性評價標準表（總分St=100分）Table 1 Table of evaluation standard for stability of gas storage

表2 儲氣庫密閉性評價標準表（總分Se=100分）Table 2 Table of evaluation standard for sealability gas storage

為了能夠更好地說明交界面對穩(wěn)定性的影響[7]，筆者選用剛度比（即 EM/ES）及交界面的內摩擦角來進行分析。研究表明[8]，溶腔腔周最大位移隨著EM/ ES的增大而變小，鹽巖層的破壞區(qū)域也逐漸變小。交界層面的抗剪切能力隨著φ值的增大而增大，穩(wěn)定性也隨之增大。綜合考慮，在儲氣庫穩(wěn)定性中該項占評分權重為15%。

3.4 溶腔最大、最小運行壓力及注采速率

鹽巖地下儲氣庫的儲存能力與最大和最小儲存內壓界限值直接相關，提高最大內壓和減小最小內壓，意味著儲氣庫的壓力范圍、儲存能力及經濟效益增加[9]。在確定最大、最小壓力時，常采用靜水柱壓力換算法、德國鹽層溶腔運行內壓設計經驗、溶腔頂部埋深換算法、上覆地層壓力折算法4種方法。筆者運用上覆地層壓力折算法，考慮鹽巖的蠕變性能及天然應力，取天然應力的77%～80%為最佳最大內壓，天然應力的27%～30%為最佳最小內壓。當運行壓力大于或小于最佳最大、最小內壓時，對儲氣庫的穩(wěn)定性和經濟性均不利。

同時，合理地確定鹽巖儲氣庫的采氣速率，對保證儲氣庫運行可用性，提高運行經濟效益、制定運營方案也具有重要的意義[10]。筆者分別以 0.4、0.5、0.6、0.7、0. 8 MPa/d的采氣速率下體積收斂率為研究對象。研究表明，隨著采氣速率的增大，腔體的體積收斂率也增大，當降壓速率達到0.7 MPa/d時，該腔體降壓階段的日平均體積縮小率超過0.02 %/d，因此建議儲氣庫的許可采氣速率應小于0.6 MPa/d。綜合考慮，該項在儲氣庫穩(wěn)定性中占評分權重為30%。

3.5 溶腔的形狀及礦柱寬度

溶腔的最佳形狀及礦柱的安全距離對儲氣庫的穩(wěn)定性和經濟性有較大的影響。溶腔的形狀決定著重分布應力作用的范圍及大小，研究表明：在水滴形，橢圓形（長短軸比3/7），橢圓形（長短軸比4/7），橢圓形（長短軸比3/7），球形5種形狀中，水滴形最有利于儲氣庫的穩(wěn)定性。

根據德國、美國建庫的經驗，礦柱距離B=KD（D為儲氣庫的直徑），德國取K=1.5～3.0，美國取K=1.75～2.5。對我國已建儲氣庫運用 FLAC3D進行數值模擬，得出：K=2時，對儲氣庫穩(wěn)定性最有利，當K＜1時，儲氣庫有坍塌的可能。綜合考慮，該項在儲氣庫穩(wěn)定性中占評分權重為20%。

4 儲氣庫的密閉性

儲存庫的密閉性是保證儲存庫在運營期間，儲存庫中的天然氣不發(fā)生泄漏。筆者在閱讀大量參考文獻以及研究金壇、云應、潛江儲氣庫的基本資料的基礎上，得出密閉性與固井技術、套管的性能、套管閥門的性能、溶腔壓力、頂板突破壓力、夾層性質、鹽巖的滲透條件、夾層與鹽巖交界面的剛度比、地質構造條件等9個因素有關。

4.1 固井技術

使用鹽水水泥漿、鹽水隔離液、優(yōu)化固井施工參數，提高水泥砂漿的頂替效率是確保鹽巖層固井質量的關鍵[11]。

十隊是在60年代末由兩個生產隊合并而成，所以，在日常勞作中，社員總會習慣性地分成兩組。為了公正記錄工分，兩邊各推選一名記分員記錄對方的工分，同時還另選一名總記工員，兩位記分員每天都要把各個社員的工分匯總到總記工員處。由于社員在一天內經常做不同的工種，如果自己記了本組社員的工分，另一個記分員則要把他們的工分、工種抄回去，所以我們在工分簿上看到很多“√”。當時出工就畫一個圈，不出工則打個叉，并作相關說明，以免社員日后翻舊賬。

理論上，避免和減少鹽巖地層溶蝕的最有效方法是使用飽和鹽水水泥漿，但過大的鹽含量會使水泥漿凝結時間超長，因此，采用半飽和鹽水水泥漿標準。為減少隔離液與鹽層中鹽的濃度差，減緩地層中的鹽向隔離液中擴散，維護隔離液的性能，使用鹽水隔離液。微硅的加量是用以減少游離液產生，改善流變性，通過試驗得出其適宜加量為4%～8%。

為了提高固井質量可采用以下措施：在溶腔腔頂打懸空水泥塞；提高頂替效率，頂替時采用塞流方式；在大井眼情況下，采用塞流頂替方式頂替鉆井液；確保套管串下至預定井深；使用扶正器改善套管偏心度。根據研究資料[12]，綜合考慮，該項在儲氣庫密閉性的評分權重為20%。

4.2 套管的性能

一般情況下，對于管體而言，隨著壁厚的增大，其連接強度也隨之提高。而圓螺紋壁厚取決于管體厚度和內徑。由試驗數據分析可知隨著套管的不圓度、外徑偏差和螺紋偏心度的增大，套管承載能力降低。

國外在密封性設計中，對于氣井，大多采用的是特殊螺紋連接的油管代替 API普通螺紋，或者用API螺紋連接的油管的涂特密封螺紋脂（如CAtts101）在低氣壓井上代替API美通螺紋。

API標準中的套管擠毀壓力公式是基于幾十年前生產的套管實物擠毀試驗結果，對試驗數據進行數學回歸處理建立的經驗理論公式。使用中存在部分的問題。綜合考慮，該項占儲氣庫密閉性的評分權重為10%。

4.3 套管閥門的性能

根據資料[13]，筆者總結閥門失效的原因主要有：密閉接觸面被腐蝕、磨損，有劃痕或有污染物，造成不密合；彈簧或緊固件發(fā)生蠕變；密封件未壓緊或造成損傷；螺栓松緊程度不一；緊固件松動；閥門關閉時，由于活動零件變形或間隙中有雜物引起閥桿與閥座接觸偏離。

提高閥門密閉性的措施：材料改進措施；結構改進措施；保證閥門本身的清潔和控制介質的清潔；在保證材料、技術等前提下，進行閥門使用過程的定期預防檢查調校。綜合各項因素，該項在儲氣庫密閉性的評分權重為10%。

4.4 鹽腔運行壓力

從鹽巖儲存庫的經濟效益角度出發(fā)，應盡可能的提高最大內壓和降低最小內壓，但最大內壓需考慮儲氣庫的密閉性。受上覆巖層地層壓力的影響，當內壓逐漸達到地層壓力時，鹽巖溶腔出現水力致裂，鹽巖滲透率急劇增長。而內壓過小，則容易引起溶腔坍塌，同時以極大的洞穴收斂容積損失為代價。最大、最小運行壓力的確定在前面已經闡述，在此就不再贅述。經過分析認為，該項在儲氣庫密閉性的評分權重為20%。

4.5 頂板突破壓力

頂板突破壓力是反映蓋層封閉能力最根本評價參數,影響突破壓力的因素主要是滲透率,孔隙度。資料研究表明，突破壓力與滲透率，孔隙度均呈反向相關關系[14]。與其他各項因素相比，頂板突破壓力對儲氣庫密閉性的影響不大。綜合考慮，其所占的評分權重為5%。

4.6 夾層性質

對夾層層面采用不同的滲透率，計算結果顯示，夾層的滲透性對儲氣庫氣體滲透范圍影響非常大。根據以往的研究成果[15]，對于鹽巖（泥巖）等低滲透性的多孔介質，Klinkenberg效應對夾層的氣體滲透影響顯著。通過閱讀和分析大量資料，綜合考慮，該項占儲氣庫密閉性的評分權重為12%。

4.7 鹽巖的滲透條件

巖石在壓縮狀態(tài)下，因內部顆粒及顆粒邊界產生滑移和微裂紋的萌生、擴展，其體積由壓縮轉為膨脹，即擴容現象[16]。Pfeifle的試驗表明，鹽巖的擴容與滲透率呈反線性關系。在閱讀大量參考文獻的基礎上，給出該項占儲氣庫密閉性的評分權重為5%。

4.8 界面夾層與鹽巖的剛度比

在儲氣庫中，鹽巖層表現出了較強的橫向變形能力，在三軸壓力條件下，鹽巖與夾層力學性質的差異非常明顯，變形不協(xié)調會產生應力集中，進而導致剛度較大且表現為脆性的泥巖夾層出現局部張拉破壞，從而引起裂隙的發(fā)育，氣體將沿發(fā)生滲漏。在上述分析的基礎上，筆者選用剛度比即 EM/ES來進行衡量其對儲氣庫密閉性的影響。綜合各項因素，該項在儲氣庫密閉性的評分權重為10%。

4.9 地質構造條件

地下儲氣庫的建造與生產工藝方法很大程度上會受到所處的地質構造的影響[17]。根據美國資料，在“密閉型”的含水層地下儲氣庫中，天然氣的年層間漏失率為有效容量的 0.2%～1%，而對于存在著小斷距褶皺、平緩層或單斜層的構造來說,這個值可能擴大到 1.5%或 1.5%以上。研究表明，儲氣庫均會選在地質構造條件較好的地層中，因此，地質構造條件對儲氣庫密閉性的影響不大。綜合考慮，它所占的評分權重為8%。

5 儲氣庫的適用性

在儲氣庫可行性研究階段，可以依據ESAGSRS分別算出穩(wěn)定性和密閉性的得分，儲氣庫適用性的總得分為 T=0.6 St+0.4Se。根據總得分T，來評判儲氣庫的適用性，見表2。

表3 ESAGSRS評分與儲氣庫質量分級Table 3 ESAGSRS score and gas storage quality grading

6 結 論

本文系統(tǒng)地研究了儲氣庫的適用性影響因素，運用已有的對儲氣庫適用性的研究過程和結論，提出了儲氣庫適應性評價標準評價標準。該評價標準包括穩(wěn)定性和密閉性兩大方面，各方面綜合考慮了多因素對儲氣庫適用性的影響。在儲氣庫可行性研究階段，依據該評價標準得出儲氣庫適用性的總得分T，進而對儲氣庫的適用性進行評價。該評價標準是建立在我國鹽層的特點之上的，可以為我國已建和擬建的儲氣庫的適用性評價提供參考依據。

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