鹽穴儲氣庫殘渣空間利用實驗研究

鄭雅麗,邱小松，丁國生,趙艷杰，張 敏，賴 欣

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院，河北 廊坊 065007；2.中國石油天然氣集團有限公司油氣地下儲庫工程重點實驗室，河北 廊坊 065007；3.中國石油天然氣股份有限公司 儲氣庫分公司，北京 100101 )

我國鹽礦沉積地質(zhì)條件決定了鹽穴地下儲氣庫大多建設(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)在水溶造腔過程中剝落、垮塌、膨脹堆積在腔體底部，形成了殘渣，占據(jù)了部分空間，降低了儲氣體積。根據(jù)金壇的造腔經(jīng)驗，殘渣的堆積系數(shù)為1.6左右，若以鹽化企業(yè)組分分析測得的不溶物顆粒膨脹系數(shù)1.2來推算，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，將擴大腔體的儲氣空間，提高利用效率，進而降低投資，因此，開展殘渣空隙空間利用實驗研究，分析殘渣空間利用的可能性，對高效建設(shè)鹽穴儲氣庫具有重要的意義。

自2005年我國首座鹽穴地下儲氣庫——金壇儲氣庫投入建設(shè)以來，其后在河南平頂山[1-2]、江蘇淮安與楚州[3]、湖北云應(yīng)等鹽礦亦進行了建庫條件論證等工作，并針對云應(yīng)多夾層、淮安厚夾層、平頂山埋藏深等地質(zhì)問題完成了雙井[4]、厚夾層[5]造腔的先導(dǎo)性實驗，以及大尺寸造腔方案的研究[6]，同時開展了以金壇的地質(zhì)背景為依托開展的水溶機理研究[7-9]、造腔控制[10-12]、穩(wěn)定性評價[13-14]和運行設(shè)計[15-17]等工作。腔體底部殘渣相關(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]，而針對鹽穴儲氣庫底部殘渣空間利用的研究較少[21-22]，文章首先分析腔底不溶物殘渣的形成機理與受力狀態(tài)，模擬殘渣的形成過程和不同階段的受力狀態(tài)設(shè)計實驗方案，在實驗結(jié)果分析基礎(chǔ)上，研究腔底殘渣空隙空間利用的可能性。

1 殘渣形成機理

在造腔過程中，水不溶物經(jīng)歷水溶剝落、浸水膨脹與松散堆積三個階段形成腔底的殘渣。

(1)水溶剝落。不溶物主要分布在鹽層及夾層中。造腔過程中，鹽層中的不溶物隨著鹽巖溶解將被釋放(圖1a、圖1b))，呈細小顆粒狀沉降到腔底(圖1d)；夾層中的鹽巖溶解后，會造成受力薄弱面(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渣(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 某鹽礦水溶實驗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，相對含量范圍分別為43%～57%、37%～53%，平均值均為48%。當(dāng)水進入到泥巖孔隙中時，蒙脫石等礦物吸附水膜會增厚，部分膠結(jié)物會軟化或溶解，從而引起泥質(zhì)夾層抗拉強度降低[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，鹽礦開采中不溶物顆粒測定的膨脹系數(shù)1.02～1.4，平均1.2，說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，上覆的殘渣會對其下的殘渣附加自身的重量，在殘渣自身重量壓實作用下，將會排出一定量的孔隙流體，造成殘渣體積有所減少。

2 殘渣受力狀態(tài)分析

造腔過程中形成的不溶物殘渣以溶解剝落的顆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，沉降到腔底。而有些粒徑相對較小，在注水流速的作用下呈懸浮狀的顆粒被攜帶通過排鹵管返出腔體[18]。隨著注水流速對底部殘渣影響的減弱，殘渣所承受的作用力有其上覆殘渣自身重力、腔內(nèi)鹵水的壓力，但對于殘渣的有效作用力是其上覆殘渣重力，這是由有效應(yīng)力的基本原理[24]決定的，其表達式為：

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，對于腔底的殘渣來說，其承受的應(yīng)力由顆粒骨架和殘渣中的鹵水共同承擔(dān)，而通過孔隙中的鹵水傳遞的孔隙壓力對顆粒的強度和變形沒有貢獻。這可以通過一個實驗理解，比如有兩殘渣試樣，一個加水超過殘渣表面若干，會發(fā)現(xiàn)殘渣樣沒有壓縮；另一個表面放重物，很明顯殘渣樣被壓縮了。盡管這兩個試樣表面都有荷載，但實驗結(jié)果截然不同，原因在于前者是孔隙水壓，后者是通過顆粒傳遞的，為有效應(yīng)力。下面來看在不同階段殘渣的有效應(yīng)力。

2.1 水溶造腔階段

水溶造腔階段腔體內(nèi)部存在殘渣和鹵水兩種介質(zhì)，殘渣垂向上主要受到鹵水壓力及其上覆殘渣顆粒重力兩個力的合力。根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，致使殘渣發(fā)生壓實變形的作用力為上覆殘渣顆粒重力，鹵水壓力由于各方向相等，均勻作用于每個顆粒周圍，不會使顆粒壓實變形，故其對顆粒的作為力為零(圖2)。

圖2 造腔階段殘渣受力分析示意圖Fig.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)部存在殘渣、鹵水、天然氣三種介質(zhì)，殘渣垂向上主要受到殘余鹵水壓力、上覆殘渣顆粒重力以及注氣排鹵壓力三個力的合力。根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，致使殘渣發(fā)生壓實變形的作用力為上覆殘渣顆粒重力，同樣的殘余鹵水壓力和注氣排鹵壓力不會使顆粒壓實變形，對顆粒的作為力為零(圖3)。

圖3 注氣排鹵階段殘渣受力分析示意圖Fig.3 Diagram of residual force analysis in gas injection and halogen discharge stage

經(jīng)統(tǒng)計，目前在建或擬建的5座鹽礦設(shè)計腔體的殘渣情況發(fā)現(xiàn)，殘渣高度范圍52.4 m～120.7 m，平均為74.2 m，占建腔高度比平均為47.9%，殘渣體積占腔體總體積比平均為46.8%(表1)，估算出殘渣自重壓力范圍為0.4 MPa～1.0 MPa，這也就是說腔底殘渣的有效應(yīng)力為0.4 MPa～1.0 MPa。

表1 在建和擬建鹽穴儲氣庫設(shè)計腔體底部殘渣情況統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of residues at the bottom of designed cavity for the construction and planning of salt carern gas storge

3 殘渣空隙空間利用實驗

3.1 實驗樣品的準(zhǔn)備

根據(jù)金壇儲氣庫，以及平頂山與淮安鹽礦等地區(qū)含鹽地層研究經(jīng)驗，選取17塊泥巖樣品，長度13 cm～44 cm(圖4a)。實驗樣品利用排水法測定固體體積后進行粉碎(圖4b)，測量體積，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，利用波美比重計測量溶液的濃度，直至連續(xù)3次測量的濃度低于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?，記錄不溶物殘渣的體積(圖4c、圖4d)，結(jié)合組分分析測得的每塊樣品的不溶物含量，計算獲得不溶物初始堆積系數(shù)為1.59～2.68，平均2.08。

圖4 殘渣分析實驗樣品Fig.4 Samples of residue analysis

3.2 壓實氣驅(qū)實驗

為獲取殘渣可利用空間占殘渣總體積的比例，將實驗分為兩個階段，包括壓實和氣驅(qū)兩個階段。壓實階段，通過加壓管線注入水或氣體推動活塞運動，模擬腔體底部殘渣自重壓力壓實變形作用；氣驅(qū)階段，通過注氣管線將氣體注入活塞之下的殘渣內(nèi)，實現(xiàn)氣驅(qū)殘渣中孔隙水的效果(圖5)。通過壓實實驗排水量和氣驅(qū)實驗排水量的計量數(shù)據(jù)，預(yù)測殘渣空隙空間可利用率。

圖5 壓實氣驅(qū)實驗設(shè)備設(shè)計思路圖Fig.5 Design idea of compacted gas drive experimental equipment

利用“鹽穴儲氣庫殘渣空隙利用率的物理模擬裝置”[26]完成殘渣的壓實氣驅(qū)實驗，設(shè)計實驗步驟如下：

第一步,將浸泡后的殘渣倒入儀器中靜置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動，孔隙水從底端排液口流入量杯。壓力加載要求：逐級加載壓力，至氣桿高度不變后，再靜置24 h依然不發(fā)生變化，計量排水量。

第三步，保持軸壓不變(即壓實作用力不變)，平衡管頂端連上高壓氣瓶，打開閥門向殘渣中注入氣體。至底端排液口有氣泡冒出，計量排水量。

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，若無氣泡冒出，穩(wěn)壓12 h，并計量排水量；若有氣泡冒出，穩(wěn)壓12 h后停止實驗。

3.3 實驗分析

該項實驗加載壓力分兩種方案，一是實驗壓力加載至設(shè)備允許的安全壓力8 MPa，來分析殘渣空隙空間體積。二是根據(jù)金壇造腔實踐以及平頂山等鹽礦造腔方案設(shè)計中殘渣的堆積高度預(yù)測的殘渣自重最大壓力1 MPa，來分析殘渣的堆積系數(shù)，以及沉淀堆積壓實過程中排出的空隙體積。

(1)殘渣空隙空間分析

①壓實實驗

實驗樣品以每12 h 1 MPa加壓至8 MPa，保持8 MPa至出水量基本為零。壓實實驗表明，在最大壓力8 MPa時，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)實驗

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)實驗數(shù)據(jù)分析顯示，經(jīng)壓實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)。

此次實驗雖沒有加載至壓實的極限壓力，但根據(jù)實驗數(shù)據(jù)顯示在8 MPa的壓實條件下殘渣中的空隙體積占據(jù)了35.2%～49.8%，氣驅(qū)后又增加了6.7%～11.8%，仍可以說明未經(jīng)壓實的殘渣沉積物空隙率至少有42.8%～50.2%(表2)。

表2 殘渣空隙空間實驗分析數(shù)據(jù)表Tab.2 Data sheet for experimental analysis of residue void space

圖6 壓實實驗階段出水量變化圖Fig.6 Charge chart of water output in compaction test stage

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

(2)殘渣堆積系數(shù)

實驗樣品以每0.2 MPa間隔逐級加壓，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 壓實實驗階段出水量變化圖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渣體積，殘渣體積與實驗樣品的固體體積相比，獲得了該壓力下的堆積系數(shù)，計算表達方式：

(2)

式中：C——殘渣堆積系數(shù)，無量綱；Vi——樣品初始體積，mL；Vw——樣品壓實后體積，mL；Vσ——樣品固體體積，mL；γ——樣品不溶物含量，無量綱。

利用式(2)計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對應(yīng)殘渣自重壓力，與殘渣的堆積高度相關(guān)，其表達式：

P=ρgh=0.007 8h

(4)

式中：P——殘渣自重壓力，Pa；ρ——殘渣密度，kg/m3；g——重力加速度，N/kg；h——殘渣高度，m。

實驗測得殘渣密度ρ為0.8×103kg/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與殘渣高度h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)測不同殘渣高度的堆積系數(shù)，指導(dǎo)造腔方案的設(shè)計。

(3)殘渣可利用空隙空間

根據(jù)模擬腔體殘渣自重的壓實實驗，可以得到不同加載壓力下殘渣減少的空隙率(圖10)，其關(guān)系式可表達為:

αP=29.793P0.127 9

(6)

圖10 殘渣加載壓力與體積減少率關(guān)系圖Fig.10 Relation diagram of residue loading pressurre and volume reduction rate

殘渣剩余的空隙率(αr)可以表達為：

αr=αmax-αp=αmax-29.793P0.127 9

(7)

式中：αr——殘渣中殘余空隙率,%；αmax——樣品最大空隙率，mL；αP——某壓力P時減少的空隙率。

假設(shè)前面加載8 MPa的壓實與氣驅(qū)得到的空隙率46.5%為最大空隙率(αmax)，當(dāng)殘渣加載壓力，即殘渣自重壓力為1.0 MPa，這時對應(yīng)的殘渣高度為128 m，根據(jù)實驗擬合曲線得到這個壓力下的空隙率(αp)為29.8%，那么殘渣中殘余空隙率(αr)為16.7%。

為了探討殘渣經(jīng)自重壓實后剩余的空隙中的充填的鹵水是否可以在注氣排鹵過程中排出，模擬注氣排鹵過程設(shè)計的氣驅(qū)實驗結(jié)果表明，氣驅(qū)排水體積占殘渣總體積的比例為1.4%～2.3%，平均1.9%。說明通過注氣排鹵工藝可以騰出部分殘渣空隙空間用來儲氣。

4 結(jié)論

受實驗樣品數(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，實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性還需要進一步完善，盡管如此，殘渣形成的機理、受力狀態(tài)以及建立的實驗思路與方法對進一步深入研究具有指導(dǎo)作用。同時殘渣空間利用在加快鹽穴儲氣庫建設(shè)進度和降低投資方面意義重大，建議加快針對性基礎(chǔ)研究與現(xiàn)場實驗。

1)腔體底部殘渣形成經(jīng)歷三個階段，作用于殘渣的有效應(yīng)力為上覆殘渣顆粒自重壓力。我國多夾層含鹽地層形成的腔體殘渣高度52.4 m～120.7 m，上覆殘渣自重壓力范圍為0.4 MPa～1.0 MPa。

2)最大加載壓力8 MPa壓實與氣驅(qū)實驗結(jié)果顯示，腔體底部的殘渣最大空隙率至少為42.8%～50.2%。

3)模擬腔體殘渣受力狀態(tài)的壓實實驗結(jié)果顯示，隨殘渣自重壓力的增加，即隨殘渣堆積高度的增加堆積系數(shù)減小。堆積系數(shù)C與殘渣高度h關(guān)系式可以表達為:

C=4.29×10-5h2-8.8×10-3h+2.041

4)模擬注氣排鹵的氣驅(qū)實驗結(jié)果顯示，以最大殘渣高度128 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%，表明通過注氣排鹵工藝可以騰出部分殘渣空隙空間，增加儲氣體積。