鄭雅麗,邱小松，丁國(guó)生,趙艷杰，張 敏，賴 欣

(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北 廊坊 065007；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司油氣地下儲(chǔ)庫(kù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065007；3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 儲(chǔ)氣庫(kù)分公司，北京 100101 )

我國(guó)鹽礦沉積地質(zhì)條件決定了鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)大多建設(shè)在可溶鹽層與不溶夾層組成的層狀含鹽地層中，這種地層含有的不溶物質(zhì)在水溶造腔過(guò)程中剝落、垮塌、膨脹堆積在腔體底部，形成了殘?jiān)紦?jù)了部分空間，降低了儲(chǔ)氣體積。根據(jù)金壇的造腔經(jīng)驗(yàn)，殘?jiān)亩逊e系數(shù)為1.6左右，若以鹽化企業(yè)組分分析測(cè)得的不溶物顆粒膨脹系數(shù)1.2來(lái)推算，堆積物中25%的空間被孔隙水所充填，如果這部分孔隙水可以注氣驅(qū)替利用，將擴(kuò)大腔體的儲(chǔ)氣空間，提高利用效率，進(jìn)而降低投資，因此，開(kāi)展殘?jiān)障犊臻g利用實(shí)驗(yàn)研究，分析殘?jiān)臻g利用的可能性，對(duì)高效建設(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)具有重要的意義。

自2005年我國(guó)首座鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)——金壇儲(chǔ)氣庫(kù)投入建設(shè)以來(lái)，其后在河南平頂山[1-2]、江蘇淮安與楚州[3]、湖北云應(yīng)等鹽礦亦進(jìn)行了建庫(kù)條件論證等工作，并針對(duì)云應(yīng)多夾層、淮安厚夾層、平頂山埋藏深等地質(zhì)問(wèn)題完成了雙井[4]、厚夾層[5]造腔的先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)，以及大尺寸造腔方案的研究[6]，同時(shí)開(kāi)展了以金壇的地質(zhì)背景為依托開(kāi)展的水溶機(jī)理研究[7-9]、造腔控制[10-12]、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[13-14]和運(yùn)行設(shè)計(jì)[15-17]等工作。腔體底部殘?jiān)嚓P(guān)的研究主要是為了獲得不溶物在鹵水中的沉降速度[18-20]，而針對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)底部殘?jiān)臻g利用的研究較少[21-22]，文章首先分析腔底不溶物殘?jiān)男纬蓹C(jī)理與受力狀態(tài)，模擬殘?jiān)男纬蛇^(guò)程和不同階段的受力狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析基礎(chǔ)上，研究腔底殘?jiān)障犊臻g利用的可能性。

1 殘?jiān)纬蓹C(jī)理

在造腔過(guò)程中，水不溶物經(jīng)歷水溶剝落、浸水膨脹與松散堆積三個(gè)階段形成腔底的殘?jiān)?/p>

(1)水溶剝落。不溶物主要分布在鹽層及夾層中。造腔過(guò)程中，鹽層中的不溶物隨著鹽巖溶解將被釋放(圖1a、圖1b))，呈細(xì)小顆粒狀沉降到腔底(圖1d)；夾層中的鹽巖溶解后，會(huì)造成受力薄弱面(圖1c)，懸空不溶物夾層在自身重力與其間溶解面薄弱層的共同作用下，發(fā)生垮塌[23]，多呈塊狀堆積在腔底形成殘?jiān)?圖1e)。在這一階段內(nèi)，固態(tài)的不溶物剝落呈碎散狀堆積，體積有所增加。

圖1 某鹽礦水溶實(shí)驗(yàn)不溶物剝落與堆積圖Fig.1 Peeling and accumulation map of insoluble substances in water solution experiment of a salt mine

(2)浸水膨脹。水不溶物的巖性主要為泥質(zhì)、鈣芒硝質(zhì)與石膏質(zhì)等，其中泥質(zhì)夾層中含有較多親水性粘土礦物，金資1井X-衍射分析表明，粘土礦物中以伊利石和伊/蒙混層為主，相對(duì)含量范圍分別為43%～57%、37%～53%，平均值均為48%。當(dāng)水進(jìn)入到泥巖孔隙中時(shí)，蒙脫石等礦物吸附水膜會(huì)增厚，部分膠結(jié)物會(huì)軟化或溶解，從而引起泥質(zhì)夾層抗拉強(qiáng)度降低[5,23]而崩裂解體和體積膨脹。根據(jù)金壇、平頂山、云應(yīng)等鹽礦調(diào)研資料，鹽礦開(kāi)采中不溶物顆粒測(cè)定的膨脹系數(shù)1.02～1.4，平均1.2，說(shuō)明不溶物顆粒具有一定的膨脹特性。

(3)松散堆積。水不溶物經(jīng)歷了水溶剝落與浸水膨脹后，逐漸沉降堆積。當(dāng)堆積到一定高度，上覆的殘?jiān)鼤?huì)對(duì)其下的殘?jiān)郊幼陨淼闹亓?，在殘?jiān)陨碇亓繅簩?shí)作用下，將會(huì)排出一定量的孔隙流體，造成殘?jiān)w積有所減少。

2 殘?jiān)芰顟B(tài)分析

造腔過(guò)程中形成的不溶物殘?jiān)匀芙鈩兟涞念w粒和垮塌塊體兩種形態(tài)存在。這兩種不溶物在水溶階段均受到自身重力和浮力的共同作用，當(dāng)重力大于浮力時(shí)，沉降到腔底。而有些粒徑相對(duì)較小，在注水流速的作用下呈懸浮狀的顆粒被攜帶通過(guò)排鹵管返出腔體[18]。隨著注水流速對(duì)底部殘?jiān)绊懙臏p弱，殘?jiān)惺艿淖饔昧τ衅渖细矚堅(jiān)陨碇亓Α⑶粌?nèi)鹵水的壓力，但對(duì)于殘?jiān)挠行ё饔昧κ瞧渖细矚堅(jiān)亓?，這是由有效應(yīng)力的基本原理[24]決定的，其表達(dá)式為：

σ=σ′+μ

(1)

式中：σ——總應(yīng)力，kPa；σ′——有效應(yīng)力，kPa；μ——孔隙水壓力，kPa。

有效應(yīng)力原理表示研究平面上的總應(yīng)力、有效應(yīng)力與孔隙水壓力三者之間的關(guān)系，對(duì)于腔底的殘?jiān)鼇?lái)說(shuō)，其承受的應(yīng)力由顆粒骨架和殘?jiān)械柠u水共同承擔(dān)，而通過(guò)孔隙中的鹵水傳遞的孔隙壓力對(duì)顆粒的強(qiáng)度和變形沒(méi)有貢獻(xiàn)。這可以通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)理解，比如有兩殘?jiān)嚇?，一個(gè)加水超過(guò)殘?jiān)砻嫒舾?，?huì)發(fā)現(xiàn)殘?jiān)鼧記](méi)有壓縮；另一個(gè)表面放重物，很明顯殘?jiān)鼧颖粔嚎s了。盡管這兩個(gè)試樣表面都有荷載，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果截然不同，原因在于前者是孔隙水壓，后者是通過(guò)顆粒傳遞的，為有效應(yīng)力。下面來(lái)看在不同階段殘?jiān)挠行?yīng)力。

2.1 水溶造腔階段

水溶造腔階段腔體內(nèi)部存在殘?jiān)望u水兩種介質(zhì)，殘?jiān)瓜蛏现饕艿禁u水壓力及其上覆殘?jiān)w粒重力兩個(gè)力的合力。根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，致使殘?jiān)l(fā)生壓實(shí)變形的作用力為上覆殘?jiān)w粒重力，鹵水壓力由于各方向相等，均勻作用于每個(gè)顆粒周圍，不會(huì)使顆粒壓實(shí)變形，故其對(duì)顆粒的作為力為零(圖2)。

圖2 造腔階段殘?jiān)芰Ψ治鍪疽鈭DFig.2 Diagram of residual force analysis in cavitation stage

2.2 注氣排鹵階段

注氣排鹵階段腔體內(nèi)部存在殘?jiān)?、鹵水、天然氣三種介質(zhì)，殘?jiān)瓜蛏现饕艿綒堄帑u水壓力、上覆殘?jiān)w粒重力以及注氣排鹵壓力三個(gè)力的合力。根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，致使殘?jiān)l(fā)生壓實(shí)變形的作用力為上覆殘?jiān)w粒重力，同樣的殘余鹵水壓力和注氣排鹵壓力不會(huì)使顆粒壓實(shí)變形，對(duì)顆粒的作為力為零(圖3)。

圖3 注氣排鹵階段殘?jiān)芰Ψ治鍪疽鈭DFig.3 Diagram of residual force analysis in gas injection and halogen discharge stage

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，目前在建或擬建的5座鹽礦設(shè)計(jì)腔體的殘?jiān)闆r發(fā)現(xiàn)，殘?jiān)叨确秶?2.4 m～120.7 m，平均為74.2 m，占建腔高度比平均為47.9%，殘?jiān)w積占腔體總體積比平均為46.8%(表1)，估算出殘?jiān)灾貕毫Ψ秶鸀?.4 MPa～1.0 MPa，這也就是說(shuō)腔底殘?jiān)挠行?yīng)力為0.4 MPa～1.0 MPa。

表1 在建和擬建鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)腔體底部殘?jiān)闆r統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of residues at the bottom of designed cavity for the construction and planning of salt carern gas storge

3 殘?jiān)障犊臻g利用實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)樣品的準(zhǔn)備

根據(jù)金壇儲(chǔ)氣庫(kù)，以及平頂山與淮安鹽礦等地區(qū)含鹽地層研究經(jīng)驗(yàn)，選取17塊泥巖樣品，長(zhǎng)度13 cm～44 cm(圖4a)。實(shí)驗(yàn)樣品利用排水法測(cè)定固體體積后進(jìn)行粉碎(圖4b)，測(cè)量體積，得到的碎脹系數(shù)(粉碎后干樣體積與粉碎前固體體積之比)為1.62～2.33，平均1.97。

將準(zhǔn)備好的粉碎樣品倒入量筒并加入清水，每隔8 h攪拌1次，利用波美比重計(jì)測(cè)量溶液的濃度，直至連續(xù)3次測(cè)量的濃度低于10 °Be′，靜止放置量筒，每隔8 h觀察泥水界面并記錄，直至3次記錄的泥水界面保持不變?yōu)橹?，記錄不溶物殘?jiān)捏w積(圖4c、圖4d)，結(jié)合組分分析測(cè)得的每塊樣品的不溶物含量，計(jì)算獲得不溶物初始堆積系數(shù)為1.59～2.68，平均2.08。

圖4 殘?jiān)治鰧?shí)驗(yàn)樣品Fig.4 Samples of residue analysis

3.2 壓實(shí)氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)

為獲取殘?jiān)衫每臻g占?xì)堅(jiān)傮w積的比例，將實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段，包括壓實(shí)和氣驅(qū)兩個(gè)階段。壓實(shí)階段，通過(guò)加壓管線注入水或氣體推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，模擬腔體底部殘?jiān)灾貕毫簩?shí)變形作用；氣驅(qū)階段，通過(guò)注氣管線將氣體注入活塞之下的殘?jiān)鼉?nèi)，實(shí)現(xiàn)氣驅(qū)殘?jiān)锌紫端男Ч?圖5)。通過(guò)壓實(shí)實(shí)驗(yàn)排水量和氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)排水量的計(jì)量數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)殘?jiān)障犊臻g可利用率。

圖5 壓實(shí)氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)思路圖Fig.5 Design idea of compacted gas drive experimental equipment

利用“鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)殘?jiān)障独寐实奈锢砟M裝置”[26]完成殘?jiān)膲簩?shí)氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟如下：

第一步,將浸泡后的殘?jiān)谷雰x器中靜置24 h，將上面水吸出，放入活塞，蓋上頂蓋，關(guān)閉平衡管頂端閥門，儀器底端排水管接入量筒。

第二步，將高壓氣瓶輸出管線接入儀器，打開(kāi)閥門從頂蓋氣閥向活塞上端注氣，隨著壓力增加平衡管跟隨活塞向下運(yùn)動(dòng)，孔隙水從底端排液口流入量杯。壓力加載要求：逐級(jí)加載壓力，至氣桿高度不變后，再靜置24 h依然不發(fā)生變化，計(jì)量排水量。

第三步，保持軸壓不變(即壓實(shí)作用力不變)，平衡管頂端連上高壓氣瓶，打開(kāi)閥門向殘?jiān)凶⑷霘怏w。至底端排液口有氣泡冒出，計(jì)量排水量。

注氣要求：以0.2 MPa壓力梯度注入氣體，觀察是否有氣泡冒出，若無(wú)氣泡冒出，穩(wěn)壓12 h，并計(jì)量排水量；若有氣泡冒出，穩(wěn)壓12 h后停止實(shí)驗(yàn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)加載壓力分兩種方案，一是實(shí)驗(yàn)壓力加載至設(shè)備允許的安全壓力8 MPa，來(lái)分析殘?jiān)障犊臻g體積。二是根據(jù)金壇造腔實(shí)踐以及平頂山等鹽礦造腔方案設(shè)計(jì)中殘?jiān)亩逊e高度預(yù)測(cè)的殘?jiān)灾刈畲髩毫? MPa，來(lái)分析殘?jiān)亩逊e系數(shù)，以及沉淀堆積壓實(shí)過(guò)程中排出的空隙體積。

(1)殘?jiān)障犊臻g分析

①壓實(shí)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣品以每12 h 1 MPa加壓至8 MPa，保持8 MPa至出水量基本為零。壓實(shí)實(shí)驗(yàn)表明，在最大壓力8 MPa時(shí)，可以排出水量占總體積的35.2%～49.8%，平均42.5(表2、圖6)。

②氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)

樣品1首先以每12 h增加0.2 MPa注氣至1 MPa后，在以每12 h 0.5 MPa注氣至5 MPa，樣品2將注氣壓力調(diào)整為每12 h增加0.5 MPa至5 MPa。兩塊樣品均保持5 MPa至出水量基本為零。氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析顯示，經(jīng)壓實(shí)8 MPa后，注氣驅(qū)水后仍可在增加空隙體積6.7%～11.8%，平均9.2%(表2、圖7)。

此次實(shí)驗(yàn)雖沒(méi)有加載至壓實(shí)的極限壓力，但根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示在8 MPa的壓實(shí)條件下殘?jiān)械目障扼w積占據(jù)了35.2%～49.8%，氣驅(qū)后又增加了6.7%～11.8%，仍可以說(shuō)明未經(jīng)壓實(shí)的殘?jiān)练e物空隙率至少有42.8%～50.2%(表2)。

表2 殘?jiān)障犊臻g實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)表Tab.2 Data sheet for experimental analysis of residue void space

圖6 壓實(shí)實(shí)驗(yàn)階段出水量變化圖Fig.6 Charge chart of water output in compaction test stage

圖7 氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)階段出水量變化圖Fig.7 Change chart of water output in gas drive experiment stage

(2)殘?jiān)逊e系數(shù)

實(shí)驗(yàn)樣品以每0.2 MPa間隔逐級(jí)加壓，每12 h記錄出水量，直至出水量基本為零再增加壓力，直至1 MPa(圖8)。

圖8 壓實(shí)實(shí)驗(yàn)階段出水量變化圖Fig.8 Change chart of water output in compaction test stage

根據(jù)不同加載壓力下的出水量可以獲得該壓力下的殘?jiān)w積，殘?jiān)w積與實(shí)驗(yàn)樣品的固體體積相比，獲得了該壓力下的堆積系數(shù)，計(jì)算表達(dá)方式：

(2)

式中：C——?dú)堅(jiān)逊e系數(shù)，無(wú)量綱；Vi——樣品初始體積，mL；Vw——樣品壓實(shí)后體積，mL；Vσ——樣品固體體積，mL；γ——樣品不溶物含量，無(wú)量綱。

利用式(2)計(jì)算獲得不同加載壓力下(P)的堆積系數(shù)(圖9)，獲得其擬合公式：

C=0.705 4P2-1.133 9P+2.041

(3)

圖9 堆積系數(shù)與加載壓力關(guān)系圖Fig.9 Relation diagram of deposition coefficient and loading pressure

加載壓力P對(duì)應(yīng)殘?jiān)灾貕毫Γc殘?jiān)亩逊e高度相關(guān)，其表達(dá)式：

P=ρgh=0.007 8h

(4)

式中：P——?dú)堅(jiān)灾貕毫?，Pa；ρ——?dú)堅(jiān)芏?，kg/m3；g——重力加速度，N/kg；h——?dú)堅(jiān)叨?，m。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得殘?jiān)芏圈褳?.8×103kg/m3，重力加速度g取值9.8 N/kg，結(jié)合(3)(4)式得出堆積系數(shù)C與殘?jiān)叨萮關(guān)系式：

C=4.29×10-5h2-8.8×10-3h+2.041

(5)

利用式(5)，可以有效地預(yù)測(cè)不同殘?jiān)叨鹊亩逊e系數(shù)，指導(dǎo)造腔方案的設(shè)計(jì)。

(3)殘?jiān)衫每障犊臻g

根據(jù)模擬腔體殘?jiān)灾氐膲簩?shí)實(shí)驗(yàn)，可以得到不同加載壓力下殘?jiān)鼫p少的空隙率(圖10)，其關(guān)系式可表達(dá)為:

αP=29.793P0.127 9

(6)

圖10 殘?jiān)虞d壓力與體積減少率關(guān)系圖Fig.10 Relation diagram of residue loading pressurre and volume reduction rate

殘?jiān)Ｓ嗟目障堵?αr)可以表達(dá)為：

αr=αmax-αp=αmax-29.793P0.127 9

(7)

式中：αr——?dú)堅(jiān)袣堄嗫障堵?%；αmax——樣品最大空隙率，mL；αP——某壓力P時(shí)減少的空隙率。

假設(shè)前面加載8 MPa的壓實(shí)與氣驅(qū)得到的空隙率46.5%為最大空隙率(αmax)，當(dāng)殘?jiān)虞d壓力，即殘?jiān)灾貕毫?.0 MPa，這時(shí)對(duì)應(yīng)的殘?jiān)叨葹?28 m，根據(jù)實(shí)驗(yàn)擬合曲線得到這個(gè)壓力下的空隙率(αp)為29.8%，那么殘?jiān)袣堄嗫障堵?αr)為16.7%。

為了探討殘?jiān)?jīng)自重壓實(shí)后剩余的空隙中的充填的鹵水是否可以在注氣排鹵過(guò)程中排出，模擬注氣排鹵過(guò)程設(shè)計(jì)的氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣驅(qū)排水體積占?xì)堅(jiān)傮w積的比例為1.4%～2.3%，平均1.9%。說(shuō)明通過(guò)注氣排鹵工藝可以騰出部分殘?jiān)障犊臻g用來(lái)儲(chǔ)氣。

4 結(jié)論

受實(shí)驗(yàn)樣品數(shù)量的限制，從圖9、圖10的擬合曲線的相關(guān)系數(shù)也可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性還需要進(jìn)一步完善，盡管如此，殘?jiān)纬傻臋C(jī)理、受力狀態(tài)以及建立的實(shí)驗(yàn)思路與方法對(duì)進(jìn)一步深入研究具有指導(dǎo)作用。同時(shí)殘?jiān)臻g利用在加快鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)進(jìn)度和降低投資方面意義重大，建議加快針對(duì)性基礎(chǔ)研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

1)腔體底部殘?jiān)纬山?jīng)歷三個(gè)階段，作用于殘?jiān)挠行?yīng)力為上覆殘?jiān)w粒自重壓力。我國(guó)多夾層含鹽地層形成的腔體殘?jiān)叨?2.4 m～120.7 m，上覆殘?jiān)灾貕毫Ψ秶鸀?.4 MPa～1.0 MPa。

2)最大加載壓力8 MPa壓實(shí)與氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，腔體底部的殘?jiān)畲罂障堵手辽贋?2.8%～50.2%。

3)模擬腔體殘?jiān)芰顟B(tài)的壓實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨殘?jiān)灾貕毫Φ脑黾?，即隨殘?jiān)逊e高度的增加堆積系數(shù)減小。堆積系數(shù)C與殘?jiān)叨萮關(guān)系式可以表達(dá)為:

C=4.29×10-5h2-8.8×10-3h+2.041

4)模擬注氣排鹵的氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，以最大殘?jiān)叨?28 m為例，注氣后可增加利用體積占總體積的1.4%～2.3%，平均1.9%，表明通過(guò)注氣排鹵工藝可以騰出部分殘?jiān)障犊臻g，增加儲(chǔ)氣體積。