劉冰冰,馮進(jìn)千,武志德,丁國(guó)生,張冰童,姬振興

(1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)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. 華北科技學(xué)院,河北 廊坊 065201)

1 前言

氫氣是一種清潔、零碳的二次能源,具有能量密度大、獲取方式多樣、利用率高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。作為未來理想的清潔能源載體,氫能是最有希望取代傳統(tǒng)化石燃料的能源,將成為第三次能源變革的重要媒介[3-5]。然而,光伏、風(fēng)電等可再生能源制取氫能的方法存在間歇性與波動(dòng)性,需要發(fā)展大規(guī)模的存儲(chǔ)技術(shù)充當(dāng)氫能制取與利用環(huán)節(jié)間的橋梁[6-7]。目前常規(guī)的儲(chǔ)氫方式有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫及有機(jī)物液體儲(chǔ)氫[8]。在當(dāng)前碳達(dá)峰,碳中和的大背景下,為充分挖掘氫能對(duì)凈零排放的重要貢獻(xiàn)潛力,滿足未來新能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備需求,急需開展大規(guī)模氫能儲(chǔ)存研究[9]。

地下儲(chǔ)氫技術(shù)由于儲(chǔ)存規(guī)模大,綜合運(yùn)行成本低,安全性高等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)際上已得到廣泛關(guān)注[10]。鹽巖作為能源儲(chǔ)存的一種理想介質(zhì),具有低滲透性、良好的密封特性及損傷自修復(fù)功能,能夠保證儲(chǔ)庫(kù)的密封性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性,是石油、天然氣地下存儲(chǔ)以及核廢料地下封存的主要介質(zhì)[11,13],同時(shí)也將成為未來氫能地下存儲(chǔ)的重要方式。目前,美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、荷蘭和丹麥等國(guó)家均開展了利用地下鹽穴儲(chǔ)氫作為大規(guī)模儲(chǔ)氫庫(kù)的相關(guān)研究。

氫氣作為自然界最小的分子,具有擴(kuò)散速度快、低密度、低粘度等特性[14],在地下注采過程中對(duì)地質(zhì)體密封性及注采期間圍巖穩(wěn)定性提出重要考驗(yàn)。我國(guó)已開展大量鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)相關(guān)研究,但由于氫氣同天然氣分子相比差異較大,鹽穴地下儲(chǔ)氫庫(kù)注采運(yùn)行的穩(wěn)定性和密封性需經(jīng)過專門論證。文章以國(guó)內(nèi)已建某鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)資料為背景,基于流—固耦合理論分析鹽穴地下儲(chǔ)氫庫(kù)實(shí)際注采運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性及密封性表現(xiàn),為氫氣地下存儲(chǔ)技術(shù)可行性及安全性提供有益借鑒。

2 模型與參數(shù)

2.1 地質(zhì)模型

參考國(guó)內(nèi)已建某天然氣鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)相關(guān)背景資料,根據(jù)該地區(qū)儲(chǔ)氣庫(kù)真實(shí)地質(zhì)資料建立數(shù)值模型,圖1為模型縱剖面示意圖,圖2為模型網(wǎng)格剖分示意圖。腔體形狀采用上大下小的梨型溶腔,該形態(tài)溶腔最符合穩(wěn)定性要求,同時(shí)也適合容納不溶物雜質(zhì)堆積在腔底形成的殘?jiān)?。建?kù)層段鹽巖層整體厚度155 m,其中預(yù)留頂板44.5 m,底板25 m建腔。腔體整體高95 m,寬70 m,由頂部長(zhǎng)半軸60 m,短半軸35 m的半橢球體和底部半徑35 m的半球體組成,體積24.36×104m3,中心埋深位于地下1 085 m。腔體上、下兩部分均有夾層穿過,分別位于地下1 035 m和1 102 m處,厚度分別為3.5 m和3 m。根據(jù)模型頂部地層實(shí)際埋深776 m施加模型頂部上覆地層壓力為19.6 MPa,對(duì)模型底面施加垂直方向簡(jiǎn)支約束,四個(gè)側(cè)面施加各面法線方向的簡(jiǎn)支約束,不允許其產(chǎn)生法向移動(dòng)。

圖1 某儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)剖面及擬建儲(chǔ)氫庫(kù)示意圖Fig.1 Geological section of a gas storage and schematic diagram of the proposed hydrogen storage

圖2 模型網(wǎng)格剖分縱剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of longitudinal section of model grid division

2.2 計(jì)算理論與力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬力學(xué)計(jì)算理論采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論。該理論是一種剪應(yīng)力強(qiáng)度理論,較全面地表征了巖石的破壞特征,同時(shí)適用于塑性巖石和脆性鹽巖的剪切破壞,也反映了巖石抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度這一特性。假設(shè)壓應(yīng)力為負(fù),拉應(yīng)力為正,則Mohr-Coulomb強(qiáng)度條件的屈服函數(shù)為：

(1)

蠕變模型采用CPOWER模型,該模型結(jié)合了粘彈性雙組分Norton-Power模型和Mohr-Coulomb彈塑性模型的行為,更好地描述了巖石穩(wěn)態(tài)蠕變階段蠕變率隨時(shí)間指數(shù)增長(zhǎng)的現(xiàn)象,表達(dá)式如下：

(2)

通過室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得建庫(kù)地區(qū)鹽巖和泥巖的數(shù)值模擬參數(shù)(表1)。

表1 數(shù)值模擬力學(xué)參數(shù)Tab.1 Numerical simulation mechanical parameters

氫氣地下存儲(chǔ)的穩(wěn)定性研究在借鑒已有天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,需要充分考慮氫氣與天然氣分子的特性對(duì)比,二者標(biāo)況下常規(guī)物理性質(zhì)見表2。可以看出,氫氣相比于天然氣,分子量很小,導(dǎo)致其密度,粘度、壓縮性等物理參數(shù)均小于天然氣,具有較高的流動(dòng)性,地下存儲(chǔ)更易發(fā)生泄露風(fēng)險(xiǎn)。尤其在向頂板上方擴(kuò)散的趨勢(shì)及鹽巖層與泥巖夾層間流動(dòng)需要重點(diǎn)關(guān)注。

表2 氫氣標(biāo)況下常規(guī)物理性質(zhì)Tab.2 Conventional physical properties under hydrogen standard conditions

氫氣在鹽巖層及夾層中的流動(dòng)數(shù)值模擬采用經(jīng)典的達(dá)西滲流定律計(jì)算,見式(3)、式(4)。

(3)

(4)

式中：t——時(shí)間,s;εp——介質(zhì)孔隙度,%;ρ——?dú)錃饷芏?kg/m3;u——?dú)錃饬魉?m/s;k——孔隙度,m3;μ——?dú)錃鈩?dòng)力粘度,Pa·s;p——應(yīng)力,Pa。

2.3 泥巖夾層滲流理論與參數(shù)

鹽穴通常埋藏較深,地層壓力大。在未擾動(dòng)時(shí)的鹽巖結(jié)構(gòu)極為致密,孔隙度和滲透率極低,對(duì)大規(guī)模氫氣地下存儲(chǔ)十分有利。但氫氣分子量很小,密度低,向上沿頂板及四周擴(kuò)散速度極快,泥巖夾層孔隙度和滲透率明顯大于鹽巖,長(zhǎng)期注采運(yùn)行期間對(duì)泥巖夾層易造成損傷,內(nèi)部易產(chǎn)生微小裂隙。這些裂隙可能成為氫氣分子滲流泄露的通道,影響鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)的密封性。

通過開展該地區(qū)覆壓條件下孔隙度、滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn),獲得巖石孔隙度、滲透率隨圍壓變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該地區(qū)建庫(kù)層段鹽巖平均孔隙度為0.35%,滲透率為0.000 658 mD,結(jié)構(gòu)極為致密,故視鹽巖滲透率與孔隙度為常數(shù),不考慮鹽巖滲透率隨應(yīng)力變化關(guān)系。泥巖夾層的滲透率和孔隙度隨應(yīng)力見圖3。

圖3 泥巖夾層孔隙度和滲透率隨應(yīng)力變化Fig.3 Variation of porosity and permeability of mudstone interlayer with stress

地層壓力低于20 MPa時(shí),隨著應(yīng)力的增加,泥巖夾層的滲透率與孔隙度均有明顯降低,表明在低圍壓下,應(yīng)力的增加對(duì)泥巖夾層內(nèi)部裂隙的產(chǎn)生和擴(kuò)張具有明顯抑制作用。泥巖夾層滲透率和孔隙度隨壓力變化可擬合呈冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系,見式(5)。由于該地下儲(chǔ)氣庫(kù)埋深大于1 000 m,上覆地層應(yīng)力高于20 MPa,該壓力下滲透率對(duì)應(yīng)力變化敏感性較弱,有利于氫氣地下存儲(chǔ)。

φ=0.184 1p-0.421,k=0.027 3p-1.025

(5)

采用式(6)、(7)將應(yīng)力與滲流關(guān)系耦合。

(6)

(7)

式中：αB——Biot-Willis系數(shù);pref——參考應(yīng)力,MPa;FV——體積應(yīng)力,MPa;S——介質(zhì)常數(shù),1/Pa;Qm——?dú)怏w質(zhì)量源,kg/m3·s;εvol——介質(zhì)孔隙度,%;χf——?dú)錃鈮嚎s系數(shù)。

3 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

結(jié)合莫爾—庫(kù)倫破壞理論與氣體滲流力學(xué)理論對(duì)鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)開展流—固耦合穩(wěn)定性計(jì)算。參考該地區(qū)已建天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),確定該鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)運(yùn)行壓力區(qū)間為7 MPa～17 MPa。

3.1 圍巖變形與應(yīng)力分布

模擬鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)在不同運(yùn)行壓力下恒壓運(yùn)行30 a的圍巖變形情況。內(nèi)壓恒定7 MPa和17 MPa下位移分布云圖見圖4。

圖4 不同運(yùn)行壓力下位移分布云圖Fig.4 Displacement distribution nephogram under different operating pressures

圍巖整體呈向內(nèi)收縮趨勢(shì),腔體整體形狀與初始形狀變化不大,頂板與底板以發(fā)生豎向變形為主。頂板下沉量略高于底板上鼓量,越靠近腔體的圍巖變形量越大。由于泥巖夾層處彈性模量與蠕變參數(shù)不同于鹽巖段,隨著運(yùn)行時(shí)間增加,在夾層處發(fā)生變形不協(xié)調(diào),導(dǎo)致該處腔體形狀不規(guī)則。

建庫(kù)的鹽巖地層呈韻律分布,通常與泥巖、鈣芒硝巖、石膏巖等互層。由于泥質(zhì)巖石的滲透率與孔隙度明顯高于鹽巖,變形能力較弱且不具備損傷自愈合特征,不宜作為儲(chǔ)氫庫(kù)的直接頂板。在水溶造腔時(shí),需要預(yù)留一定厚度的鹽巖作為鹽腔的直接頂板,防止氫氣從頂板處向上逸散。不同運(yùn)行壓力頂板下沉量隨時(shí)間變化規(guī)律見圖5。腔體運(yùn)行壓力越低,頂板變形量越高。因此,應(yīng)盡量減少儲(chǔ)氫庫(kù)低壓運(yùn)行時(shí)間。內(nèi)壓恒定7 MPa、12 MPa、17 MPa運(yùn)行30 a最終頂板下沉量為3.9 m和2.35 m和0.96 m,相對(duì)于初始腔高95 m整體變形量不超過5%,整體變形量較小。

圖5 不同運(yùn)行壓力頂板下沉量隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.5 Variation of roof subsidence with time under different operating pressures

3.2 注采周期的影響

圖6為鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)不同注采運(yùn)行工況下運(yùn)行30 a間體積收縮率變化。對(duì)比內(nèi)壓7 MPa～17 MPa間注采周期1 a和3 a與恒定內(nèi)壓12 MPa運(yùn)行三種不同工況體積收縮率變化,可見注采運(yùn)行工況下,腔體體積收縮率關(guān)于注采氣規(guī)律呈波浪式上升。注氣期間腔體體積幾乎無(wú)收縮或收縮緩慢,采氣期間腔體體積收縮很快,該階段圍巖變形收縮劇烈,甚至產(chǎn)生損傷破壞。注采周期越短,腔體體積收縮率變化頻率越高。恒壓12 MPa儲(chǔ)存30 a體積收縮率很小,近似呈線性增長(zhǎng),僅為5.27%。表明鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)設(shè)計(jì)應(yīng)減少注采氣循環(huán)頻度并避免高速率采氣,以防對(duì)鹽巖層及夾層造成損傷。不同注采周期下鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)最終體積收縮率相同,均為16.38%,平均0.55%/a,滿足鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)對(duì)體積收縮率的設(shè)計(jì)要求。

圖6 不同注采周期體積收縮率隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.6 Variation of volume shrinkage rate with time in different injection production cycles

3.3 密封性評(píng)價(jià)

基于泥巖夾層與鹽巖層的應(yīng)力—滲流耦合機(jī)理分析鹽巖儲(chǔ)氫庫(kù)運(yùn)行過程中由于長(zhǎng)期蠕變與注采氣影響引起的滲透性能變化規(guī)律,分析鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行條件下的密封性能力。

以注采周期1 a為例,鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)運(yùn)行30 a滲透率分布云圖見圖7。

圖7 滲透率分布云圖Fig.7 Permeability distribution nephogram

鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)腔體四周圍巖滲透率均有明顯降低趨勢(shì),滲透率明顯增大范圍集中在腔體中上部及腔體頂部,這是氫氣密度明顯小于圍巖密度向頂板附近及四周逸散導(dǎo)致的。運(yùn)行30 a腔體附近滲透率最大0.000 72 mD。圖8為不同運(yùn)行工況下腔體頂板處最大滲透率變化。由圖8可知,注采周期1 a腔體頂部最大滲透率隨著注采運(yùn)行工況呈波浪式增長(zhǎng),由最初0.000 38 mD增長(zhǎng)至0.000 72 mD。3 a注采周期的條件下,滲透率增長(zhǎng)明顯低于1 a注采周期,最終為0.000 66 mD。高頻率注采會(huì)對(duì)鹽巖造成損傷,導(dǎo)致滲透率增高,氫氣具有沿腔體中上部裂隙流動(dòng)趨勢(shì)。

圖8 腔體頂部滲透率隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.8 Variation of permeability at the top of the cavity with time

4 結(jié)論

文章以國(guó)內(nèi)已建某鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)為背景,基于流—固耦合理論分析鹽穴地下儲(chǔ)氫庫(kù)實(shí)際注采運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性及密封性表現(xiàn)。主要結(jié)論如下：

1)鹽巖結(jié)構(gòu)致密,孔隙度和滲透率極低,對(duì)大規(guī)模氫氣地下存儲(chǔ)十分有利;泥巖夾層孔隙度和滲透率明顯大于鹽巖,長(zhǎng)期注采運(yùn)行期間對(duì)泥巖夾層易造成損傷,影響鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)的密封性。

2)鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)運(yùn)行期間圍巖整體呈向內(nèi)收縮趨勢(shì),頂板發(fā)生下沉,底板上鼓,越靠近腔體的圍巖變形量越大,腔體整體形狀與初始形狀變化不大,夾層處變形形狀不規(guī)則。腔體運(yùn)行壓力越低,頂板變形量越大,應(yīng)盡量減少儲(chǔ)氫庫(kù)低壓運(yùn)行時(shí)間。內(nèi)壓恒定7 MPa、12 MPa、17 MPa頂板下沉量為3.9 m和2.35 m和0.96 m,相對(duì)于初始腔高95 m整體變形量不超過5%,整體變形量較小。

3)鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)體積收縮率關(guān)于注采氣規(guī)律呈波浪式上升,運(yùn)行30 a體積收縮率為16.38%,采氣期間腔體體積收縮較快。鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)運(yùn)行設(shè)計(jì)應(yīng)減少注采氣循環(huán)頻度并避免高速率采氣,以防對(duì)鹽巖層及夾層造成損傷。

4)鹽穴儲(chǔ)氫庫(kù)運(yùn)行期間腔體中上部及頂部滲透率明顯增大,運(yùn)行30 a圍巖最大滲透率增長(zhǎng)約2倍。不同注采周期對(duì)比顯示高頻率注采會(huì)對(duì)鹽巖造成損傷,導(dǎo)致滲透率明顯增高,氫氣具有沿腔體中上部裂隙流動(dòng)趨勢(shì)。