安國印 王斌 王超 陳春花 路崢 史志峰 王同濤

1. 華北石油管理局有限公司江蘇儲(chǔ)氣庫分公司；2. 中石化川氣東送天然氣管道有限公司；3. 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所

金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫作為我國第一座鹽穴儲(chǔ)氣庫，從選址到建成運(yùn)行已經(jīng)經(jīng)歷了20 余年。目前已經(jīng)累計(jì)建成鹽穴單腔40 余個(gè)，形成工作氣量約12 億m3。鹽穴建造原理：通過井眼向鹽巖地層中注入淡水溶解鹽巖地層然后再將鹵水排出形成地下空間［1］。以金壇為例，鹽穴儲(chǔ)氣庫的體積一般可以達(dá)到十幾萬到幾十萬方［2］，其高度可以達(dá)到150 m、直徑達(dá)到80 m 左右。因此，確保這么大的地下空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)和運(yùn)行過程中需要解決的關(guān)鍵問題。2015 年聲吶測(cè)腔結(jié)果表明金壇B 鹽穴頂部發(fā)生了較大范圍的頂部失穩(wěn)破壞，失穩(wěn)破壞區(qū)域長(zhǎng)度約為50 m、厚度2～4 m［3］。該次失穩(wěn)破壞嚴(yán)重威脅到了套管鞋位置處的密封安全，如果不采取措施存在再次發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性。由于鹽穴儲(chǔ)氣庫失穩(wěn)破壞既表現(xiàn)出很強(qiáng)的塑性破壞特征［4-6］(腔體體積收縮、底部隆起和腔壁大變形)，又表現(xiàn)出很強(qiáng)的脆性破壞特征(頂部脫落、片幫和開裂)，如何準(zhǔn)確、定量地對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)面臨諸多挑戰(zhàn)。同時(shí)，鹽穴儲(chǔ)氣庫穩(wěn)定性受到的影響因素較多［7-10］，包括：腔體幾何參數(shù)、地層結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)等，且這些參數(shù)存在一定的耦合關(guān)系。

為了確保鹽穴儲(chǔ)氣庫的運(yùn)行安全，一般會(huì)利用帶壓聲吶測(cè)腔技術(shù)對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫的腔體形狀進(jìn)行定時(shí)測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)腔體的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而對(duì)腔體運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。2019 年，在對(duì)金壇A 鹽穴儲(chǔ)氣庫進(jìn)行聲吶測(cè)腔時(shí)，發(fā)現(xiàn)與2017 年聲吶測(cè)腔結(jié)果相比，該腔體體積收縮率達(dá)到了3.86%，遠(yuǎn)大于金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫其他腔體體積收縮率。為了對(duì)該腔體體積收縮率偏大的原因進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)該鹽穴儲(chǔ)氣庫運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，擬開展以下工作：建立該腔體的三維地質(zhì)力學(xué)模型并對(duì)其2017—2019年的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬；對(duì)該腔體的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，找出導(dǎo)致腔體體積收縮率過大的原因。

1 A 鹽穴儲(chǔ)氣庫背景介紹

金壇A 鹽穴儲(chǔ)氣庫于2005 年9 月開始鉆井，同年10 月完鉆，累計(jì)井深1 198 m，其中?244.5 mm完井套管柱下深為1 012 m。2007 年10 月開始造腔作業(yè)，2015 年12 月完成造腔。2015 年12 月下入聲吶對(duì)該溶腔進(jìn)行聲吶測(cè)腔，發(fā)現(xiàn)該腔體在上部明顯出現(xiàn)縮徑并且形成了大量懸挑結(jié)構(gòu)，威脅到后期注氣排鹵和運(yùn)行安全。通過利用天然氣阻溶技術(shù)對(duì)該懸挑部分進(jìn)行修復(fù)，并于2017 年5 月對(duì)修復(fù)完成的A 溶腔進(jìn)行注氣排鹵前的最后一次聲吶測(cè)腔。該次聲吶測(cè)腔結(jié)果表明：該腔最大半徑為57.5 m，位于深度1 072.0 m、方位160～340°處；最大直徑為73.8 m，位于深度1 124.0 m、方位175～355°處。腔體總體積約為19.96×104m3，腔頂?shù)茁裆罘謩e為1 026.8 m 和1 130.3 m。2017 年7 月，該腔開始注氣排鹵作業(yè)并于2017 年11 月完成注氣排鹵，正式投產(chǎn)運(yùn)行。為了對(duì)該腔的運(yùn)行安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，2019 年4 月進(jìn)行了帶壓測(cè)腔作業(yè)，測(cè)腔結(jié)果表明腔體總體積約為19.19×104m3，可知體積收縮率約為3.86%，明顯偏大。根據(jù)金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫前期聲吶測(cè)腔結(jié)果可知，對(duì)于類似腔體運(yùn)行1.6 a 左右體積收縮率一般都小于1%［11］。圖1 給出了A 溶腔2017 年和2019 年聲吶測(cè)腔結(jié)果。通過對(duì)比圖1 中2017 年和2019 年A 腔聲吶測(cè)腔數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)由于A 腔體形狀較為復(fù)雜，初步認(rèn)為2019 年聲吶測(cè)腔時(shí)這些位于腔體上部位置和腔底的空間未能被探測(cè)到是導(dǎo)致體積收縮率測(cè)量值偏大的主要因素。

根據(jù)前期鉆井資料可知A 腔所在含鹽系地層頂部埋深約為996 m、底部埋深約為1 195 m，整個(gè)含鹽系地層厚度為199 m，其中厚度大于2 m、泥質(zhì)含量大于99%的夾層有4 個(gè)，它們的頂?shù)茁裆罘謩e為：1 077.6～1 079.6 m、1 099.8～1 102.2 m、1 160.6～1 163.2 m 和1 186.0～1 188.4 m。從圖1 中可以看出A 腔體形狀較為不規(guī)則，腔壁上形成了很多懸挑塊體結(jié)構(gòu)。A 腔在不同方位上的半徑分布也表明其在不同方位上腔體半徑相差較為懸殊。同時(shí)，圖1也表明A 腔頂部較為平直且尺寸較大，最大位置處直徑可以達(dá)到60 m 左右，存在頂部失穩(wěn)掉塊的可能性。

圖1 A 腔2017 年和2019 年聲吶測(cè)腔結(jié)果Fig. 1 Sonar cavity test results of Cavity A in 2017 and 2019

2 三維地質(zhì)力學(xué)模型及邊界條件

根據(jù)圖1 中的聲吶測(cè)腔結(jié)果可知A 腔體形狀較為復(fù)雜，如果在建立三維地質(zhì)力學(xué)模型時(shí)完全按照聲吶測(cè)腔實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行建模將會(huì)導(dǎo)致模型網(wǎng)格數(shù)過多、計(jì)算效率低、甚至計(jì)算結(jié)果不收斂。因此，本文在三維地質(zhì)力學(xué)建模過程中采用平均半徑尺寸進(jìn)行建模，這樣既可以保證腔體體積基本與原測(cè)量值一致(誤差小于2%)、腔體形狀基本與原測(cè)量形狀相似，又可以消除腔壁不規(guī)則對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。圖2給出了A 腔三維地質(zhì)力學(xué)模型及其邊界條件。該模型為一個(gè)長(zhǎng)方體，其長(zhǎng)、寬、高分別為800 m、400 m和700 m，A 溶腔位于模型中心，腔體高度約為100 m、最大直徑約為60 m(y方向的半徑為30 m)?？梢杂?jì)算得到A 腔體邊界與模型邊界之間的最小距離約為5～8 倍A 腔體在相應(yīng)方向上的尺寸，能夠?qū)⑦吔缧?yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響降到最低?？紤]到模型的對(duì)稱性，本文建立了1/2 三維地質(zhì)力學(xué)模型以提高計(jì)算效率。該地質(zhì)力學(xué)模型包括泥巖層、鹽巖層和夾層。其巖石力學(xué)參數(shù)取值如表1 所示。

金壇鹽巖蠕變特征符合Norton-Hoff 穩(wěn)態(tài)蠕變模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖2 A 腔三維地質(zhì)力學(xué)模型及其邊界條件Fig. 2 3D geomechanics model of Cavity A and its boundary conditions

表1 金壇鹽巖巖石力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Rock mechanical parameters of Jintan salt rock

模型中一共包括3 個(gè)夾層，它們頂部埋深分別為1 077.6 m、1 099.8 m 和1 160.6 m，厚度分別為2 m、2.4 m 和2.6 m，其他夾層由于距離腔體距離較遠(yuǎn)在本模型中未考慮。模型底部作用有固定約束條件，即計(jì)算過程中模型底部不發(fā)生任何方向上的位移。模型頂部作用有上覆巖層壓力，本次模擬計(jì)算中將埋深750 m 以上的地層簡(jiǎn)化為相應(yīng)的上覆巖層壓力(σv)作用在模型頂部。金壇地區(qū)平均上覆巖層壓力梯度約為23 kPa/m，可以計(jì)算得到上覆巖層壓力σv為17.25 MPa(圖2)。模型的4 個(gè)垂直面上作用有水平方向上的位移約束，限制計(jì)算過程中模型在水平方向上發(fā)生位移，而垂直方向上可以自由移動(dòng)。根據(jù)金壇地區(qū)前期地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可知：鹽巖地層中同一深度各個(gè)方向上的初始地應(yīng)力和地應(yīng)力梯度相等。按照這一原則對(duì)模型施加初始地應(yīng)力條件。腔體內(nèi)施加有內(nèi)壓，由于主要對(duì)A 溶腔投產(chǎn)后的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此內(nèi)壓按照實(shí)際內(nèi)壓監(jiān)測(cè)值選取。圖3 給出了2017 年投產(chǎn)至2019 年聲吶測(cè)腔時(shí)間范圍內(nèi)內(nèi)壓監(jiān)測(cè)值和數(shù)值模擬擬合值變化曲線。該內(nèi)壓是套管鞋深度位置處的壓力，是根據(jù)井口壓力監(jiān)測(cè)值計(jì)算得到。在數(shù)值模擬計(jì)算過程中采用分段函數(shù)對(duì)套管鞋位置處壓力監(jiān)測(cè)值進(jìn)行擬合，然后施加到腔體內(nèi)壁上。模擬計(jì)算時(shí)間從2017 年11 月至2019 年4 月，約1.6 a。

圖3 A 腔套管鞋位置處壓力隨時(shí)間變化Fig. 3 Variation of the pressure of Cavity A at the casing shoe over the time

為了消除邊界效應(yīng)對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響，整個(gè)計(jì)算模型尺寸比較大，而研究重點(diǎn)是腔體周圍的巖體，因此在網(wǎng)格劃分時(shí)采用放射性網(wǎng)格，即：距離腔體越近網(wǎng)格尺寸越小，距離越遠(yuǎn)尺寸越大。這樣既能夠保證研究區(qū)域具有較高的計(jì)算精度，又能夠提高計(jì)算效率。在模型網(wǎng)格劃分時(shí)使用到了四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格和金字塔型網(wǎng)格。為了避免網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在計(jì)算之前對(duì)所有的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，消除低質(zhì)量的網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。該模型一共包括379 671 個(gè)節(jié)點(diǎn)、65 705 個(gè)單元?？紤]到FLAC3D在計(jì)算巖土結(jié)構(gòu)大變形等問題中具有較為顯著的優(yōu)勢(shì)，將計(jì)算模型導(dǎo)入到FLAC3D進(jìn)行計(jì)算，利用Tecplot 對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理。

3 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果分析及運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

3.1 體積收縮率

圖4 給出了A 腔從2017 年11 月開始注氣投產(chǎn)到2019 年4 月帶壓測(cè)腔這一時(shí)間段體積收縮率計(jì)算值隨時(shí)間變化關(guān)系曲線。體積收縮率定義為鹽穴體積減少量與2017 年聲吶測(cè)腔體積之比，是衡量鹽穴儲(chǔ)氣庫穩(wěn)定性和可用性的重要指標(biāo)之一。體積收縮率隨著運(yùn)行時(shí)間逐漸增加，體積收縮率增加速率隨著運(yùn)行壓力增加而降低。計(jì)算結(jié)果表明：A 腔運(yùn)行1.6 a 后體積收縮率約為0.54%，是一個(gè)較為合理的數(shù)值。而2019 年聲吶測(cè)腔數(shù)據(jù)表明：與2017 年的相比，體積收縮率約為3.86%。通過對(duì)比圖1 中的聲吶測(cè)腔結(jié)果初步推斷造成A 腔體積收縮率較大的原因?yàn)闇y(cè)量誤差，而不是腔體真實(shí)收縮造成的。2019 年聲吶測(cè)腔數(shù)據(jù)與2017 年相比，腔體上部和底部區(qū)域出現(xiàn)較為明顯變形，即測(cè)量不到2017 年測(cè)到的那些空間。而其他位置(埋深1 040～1 120 m)處腔體基本上沒有變形，因此排除了A 溶腔只在腔體上部和下部變形的可能性。

圖4 體積收縮率隨時(shí)間的變化Fig. 4 Variation of volume shrinkage over the time

3.2 變形量

圖5 給出了運(yùn)行1.6 a 后A 鹽穴圍巖中變形量分布云圖。計(jì)算結(jié)果表明在當(dāng)前運(yùn)行壓力條件下運(yùn)行1.6 a 后腔壁整體變形量較小，一般在10 cm 以內(nèi)。這與2019 年聲吶測(cè)腔數(shù)據(jù)較為一致(不考慮腔體上部和底部未檢測(cè)到的部位)，說明本文建立的模型具有較高的計(jì)算精度。從變形量角度，A 鹽穴儲(chǔ)氣庫具有較好的穩(wěn)定性。從圖5a 中可以看出總變形量(DISP)較大區(qū)域出現(xiàn)在A 鹽穴腔體中下部，主要因?yàn)樵摬糠种睆捷^大，受到的載荷也較大。圖5b中計(jì)算結(jié)果表明垂直變形量(ZDISP)在腔頂部向下、底部向上，這與實(shí)際情況相符。同時(shí)，可以看出溶腔頂部向下垂直變形量最大，因此腔頂套管鞋位置處套管安全是受到垂向變形控制的。

圖5 運(yùn)行1.6 a 后A 腔圍巖中變形量分布云圖Fig. 5 Distribution contour of deformation in the surrounding rock of Cavity A after operation of 1.6 a

3.3 塑性區(qū)

Mohr—Coulomb 是巖土工程中最為常用的準(zhǔn)則之一，具有物理意義明確、表達(dá)式簡(jiǎn)單和參數(shù)容易利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲取等優(yōu)點(diǎn)，在巖土工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。圖6 給出了利用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則獲得的A 鹽穴圍巖中塑性區(qū)分布云圖?？芍苄云茐膮^(qū)域主要集中在腔頂、腔體上部的懸挑部位和腔底。頂部較為平直，跨度較大(約30 m，建模時(shí)按照評(píng)價(jià)值選取)，在地應(yīng)力外擠載荷作用下容易發(fā)生局部破壞。當(dāng)局部破壞發(fā)生后，在重力作用下局部破壞區(qū)域?qū)?huì)從腔頂脫落下來，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)威脅到套管鞋的密封安全，后期需要重點(diǎn)監(jiān)控。腔體上部的懸挑部位體積較大，也存在失效破壞的可能性。由于該懸挑部分體積較大，發(fā)生破壞時(shí)可能會(huì)造成腔體上部應(yīng)力場(chǎng)重分布，造成腔頂大面積失穩(wěn)。因此，在后期運(yùn)行過程中建議加強(qiáng)監(jiān)控，預(yù)防鹽穴頂部局部破壞與上部懸挑結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞之間連帶破壞，以保證整個(gè)腔體的安全。而鹽穴底部塑性區(qū)發(fā)生破壞的可能性較小，因?yàn)樵谧灾刈饔孟乱约暗撞拷Y(jié)構(gòu)對(duì)承載較為有利，塑性區(qū)不會(huì)發(fā)生脫落和片幫等破壞。

圖6 運(yùn)行1.6 a 后利用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則計(jì)算得到A 腔圍巖中塑性區(qū)分布云圖Fig. 6 Distribution contour of plastic zone in the surrounding rock of Cavity A after operation of 1.6 a calculated according to Mohr-Coulomb criteria

3.4 等效應(yīng)變

等效應(yīng)變作為衡量鹽巖蠕變變形破壞的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，其定義、計(jì)算公式和安全閾值見文獻(xiàn)［8,11］。圖7 給出了運(yùn)行1.6 a 后A 腔圍巖中等效應(yīng)變(ES)分布云圖。A 腔圍巖中等效應(yīng)變較小，遠(yuǎn)小于3%的臨界值。從等效應(yīng)變角度，A 腔具有較好的穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果也表明：2019 年聲吶測(cè)腔過程中未能夠精確獲得腔體形狀是導(dǎo)致體積收縮率較大的主要因素，而不是實(shí)際腔體體積收縮導(dǎo)致的。

3.5 剪脹安全系數(shù)

圖7 運(yùn)行1.6 a 后A 腔圍巖中等效應(yīng)變(ES)分布云圖Fig. 7 Distribution contour of equivalent strain (ES) in the surrounding rock of Cavity A after operation of 1.6 a

鹽巖在破壞過程中表現(xiàn)出較為典型的剪脹破壞特征，利用剪脹安全系數(shù)對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)已經(jīng)在工程領(lǐng)域得到了較為廣泛的推廣和應(yīng)用。剪脹安全系數(shù)定義和計(jì)算方法見文獻(xiàn)［8,11］。圖8 給出了運(yùn)行1.6 a 后A 腔圍巖中剪脹安全系數(shù)(SF)分布云圖。從圖8 中可以看出A 腔圍巖中整體安全系數(shù)較高，絕大部分區(qū)域的安全系數(shù)大于1.0，腔體上部懸挑部位存在剪脹安全系數(shù)小于1.0的區(qū)域，是可能發(fā)生失效破壞的危險(xiǎn)區(qū)域。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果還表明夾層對(duì)局部區(qū)域的剪脹安全系數(shù)影響較大，但是整體安全系數(shù)較高。從剪脹安全系數(shù)角度，在目前運(yùn)行條件下A 腔具有較好的穩(wěn)定性。

圖8 運(yùn)行1.6 a 后A 腔圍巖中剪脹安全系數(shù)(SF)分布云圖Fig. 8 Distribution contour of dilation safety factor (SF) in the surrounding rock of Cavity A after operation of 1.6a

4 結(jié)論

(1)根據(jù)金壇鹽巖地層結(jié)構(gòu)特征、聲吶測(cè)腔數(shù)據(jù)和注采氣運(yùn)行參數(shù)建立了A 鹽穴儲(chǔ)氣庫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的三維地質(zhì)力學(xué)模型，對(duì)該腔體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，確定出該腔體體積收縮率過大的原因。

(2)計(jì)算結(jié)果表明：A 腔體整體穩(wěn)定性較好，腔體體積收縮率約為0.54%，不存在發(fā)生較大面積腔壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)；由于A 腔體頂部結(jié)構(gòu)跨度大且較為平直，存在頂部局部失穩(wěn)掉塊的風(fēng)險(xiǎn)，建議后期加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，確保頂部失穩(wěn)在可控范圍內(nèi)。

(3)通過對(duì)比2017 年和2019 年聲吶測(cè)腔結(jié)果認(rèn)為導(dǎo)致A 腔出現(xiàn)體積收縮率過大的主要原因是聲吶測(cè)量誤差而不是真實(shí)的體積收縮。A 腔體形狀較為復(fù)雜，腔壁上存在大量不規(guī)則空間，這些空間在聲吶測(cè)腔時(shí)不能夠被精確測(cè)量到，從而導(dǎo)致出現(xiàn)A 腔體體積收縮率過大。