CN102720538A - 倒鸭梨形地下盐穴储气库及其建造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油气资源开发领域，具体地，涉及倒鸭梨形地下盐穴储气库及其建造方法。盐穴储气库包括：完井管柱、注采管柱、中心管柱、水泥环、盐穴；完井管柱从地面深入到盐穴并与盐穴顶部相连；注采管柱位于完井管柱中并采用封隔器与完井管柱底部相连；中心管柱位于注采管柱中并悬挂在井口装置上。盐穴为倒鸭梨形状，顶部为圆形平面，中部为抛物面和球面的组合面，底部为圆形平面。盐穴建造方法包括：高度确定、下部结构尺寸确定、底部圆面尺寸确定、上部结构尺寸确定、顶部圆面尺寸确定、顶部和底部预留盐岩层厚度确定、管柱选择、腔体形状控制。本发明的盐穴储气库设计过程简单，力学机理明确；不增加造腔难度和造腔时间，不显著增加成本。
Description
技术领域
本发明属于油气资源开发领域，具体地，涉及一种倒鸭梨形地下盐穴储气库及其建造方法。
背景技术
现场工程经验和已有的研究结果表明合理设计盐穴储气库形状可以有效降低盐穴体积收缩率和腔壁变形量，提高其稳定安全性。由于盐穴储气库形状的设计涉及到很多问题，例如地质力学理论、盐岩强度、蠕变特性和盐穴失效判别准则等，因此盐穴形状设计一直成为盐穴储气库建造中的难点问题之一。
很多学者对相关问题进行了研究，例如Dennis对加拿大Alberta地区地下盐穴储气库形状进行了研究，建立了地下盐穴储气库形状计算模型，他认为地下盐穴储气库设计成椭球形更有利于盐穴的稳定性、能够降低其体积收缩率。在该模型中，他并未给出将盐穴设计成椭球形的力学机理，亦未对盐穴形状和尺寸进行优化。王保群等通过对比分析，研究了椭球体形和梨形盐穴储气库在长期蠕变工作条件下的腔壁最大位移、塑性区体积和合理矿柱宽度等，认为椭球体形盐穴具有优势，并且推荐椭球体长轴和短轴之比为7/3。Cristescu和Paraschiv通过将连续岩体中的地下空间结构简化为平面应变问题，研究了矩形空间结构倒圆角半径、长宽比对矩形洞穴稳定性的影响，优化出矩形洞穴尺寸。
通过上面的分析，现阶段对于盐穴储气库形状设计方面存在以下2个方面的缺点：
(1)、地下盐穴储气库形状设计的力学机理不明确，未对盐穴形状设计参数进行优化设计；
(2)、设计方法比较单一，主要以数值模拟计算为主，缺乏理论依据。
上述原因造成了采用已有的设计方法对盐穴储气库形状进行设计具有比较明显的局限性，给地下盐穴储气库带来安全隐患。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种倒鸭梨形地下盐穴储气库及其建造方法。将地下盐穴储气库设计分为下部结构和上部结构两部分进行设计，通过引入边坡失稳和压力拱概念，解决地下盐穴储气库形状设计中的难题。
本发明的技术方案如下：
一种倒鸭梨形地下盐穴储气库，包括完井管柱、注采管柱、中心管柱、水泥环、盐穴；完井管柱从地面深入到盐穴并与盐穴顶部相连，完井管柱与地层采用水泥环连接；注采管柱位于完井管柱中并采用封隔器与完井管柱底部相连；中心管柱位于注采管柱中，在地面位置处悬挂在井口装置上；其特征在于：盐穴为倒鸭梨形状，盐穴顶部为圆形平面，中部为抛物面和球面的组合面，盐穴底部为圆形平面；盐穴顶部的圆形平面与抛物面相连，抛物面底部与球面顶部相连，球面下部与盐穴底部圆面相连。
优选地，顶部的圆形平面与抛物面相割。
优选地，顶部圆形平面的圆心与底部圆形平面的圆心在同一铅直轴线上。
优选地，顶部圆形平面直径为3-5倍完井管柱直径，完井管柱中心与顶部圆形平面圆心重合。
优选地，球面与底部的圆形平面相切。
一种倒鸭梨形地下盐穴储气库建造方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、盐穴高度确定：根据盐穴所在盐岩地层厚度和设计运行压力确定出盐穴整体高度、盐穴上部结构高度、盐穴下部结构高度和盐穴最大跨度；
(2)、盐穴下部结构尺寸确定：根据盐穴下部结构高度和盐穴最大跨度，确定出盐穴下部坡底宽度、下部腔壁临界滑动面半径；
(3)、盐穴底部圆面尺寸确定：根据盐穴下部坡底宽度和盐穴最大跨度，得到盐穴底部圆面直径；
(4)、盐穴上部结构尺寸确定：根据盐穴上部结构高度和盐穴最大跨度，确定盐穴上部结构形状和尺寸；
(5)、盐穴顶部圆面尺寸确定：根据完井管柱尺寸，盐穴顶部圆面尺寸取为3-5倍完井管柱外径；
(6)、盐穴顶部和底部预留盐岩层厚度确定：根据密封性和稳定性要求，确定出盐穴顶部和底部预留盐岩层厚度，然后钻井至底部预留盐岩层厚度之上；
(7)、管柱选择：造腔管柱为双管组合管柱，包括中心管柱和注采管柱；
(8)、腔体形状控制：采用正循环方法进行造腔，并将整个盐穴按照设计尺寸划分为不同溶解区域，逐级进行溶解，直至达到设计尺寸。
优选地，采用声纳测腔技术对每个溶解区域溶解完成后的腔体形状进行监测，当与设计值出现偏差时通过调整双管组合管柱位置、加入阻溶剂或调整注入淡水速度方法进行校正。
优选地，调整组合管柱位置方法包括：中心管柱和注采管柱同时移动、保持中心管柱位置不变移动注采管柱、保持注采管柱位置不动移动中心管柱、移动阻溶剂面位置；中心管柱截面积与中心管柱和注采管柱间环空面积之比为1.1～3.7。
优选地，溶漓造腔过程中，在尚未达到前一个设计的溶解区域的溶解半径时，就要开始溶漓后一个溶解区域。
优选地，阻溶剂采用油基或气态阻溶剂；油基阻溶剂采用柴油、煤油或重质直馏石脑油；气态阻溶剂采用空气或氮气。
本发明适用于盐丘型和层状型盐岩矿藏，可以用于单个和多个盐穴储气库设计；盐穴储气库设计过程简单，力学机理明确，室内实验和数值模拟计算已经验证本发明的盐穴储气库具有较高的稳定性和较强抵御变形能力，提供了一种倒鸭梨形盐穴储气库。
附图说明
图1是一种倒鸭梨形地下盐穴储气库截面图；
图2是一种倒鸭梨形盐穴示意图；
图中：1、地面，2、上覆泥岩地层，3、水泥环，4、完井管柱，5、注采管柱，6、封隔器，7、中心管柱，8、盐穴，81、顶部圆面，82、抛物面，83、球面，84、底部圆面，9、盐岩地层，10、底部泥岩地层。
具体实施方式
如图1所示一种倒鸭梨形地下盐穴储气库，包括完井管柱4、注采管柱5、中心管柱7、水泥环3、盐穴8；完井管柱从地面1深入到盐穴并与盐穴顶部相连，完井管柱与地层采用水泥环连接；注采管柱位于完井管柱中并采用封隔器6与完井管柱底部相连；中心管柱7位于注采管柱中，在地面位置处悬挂在井口装置上；盐穴为倒鸭梨形状，盐穴顶部为圆形平面，中部为抛物面和球面的组合面，盐穴底部为圆形平面；盐穴顶部的圆形平面与抛物面相连，抛物面底部与球面顶部相连，球面下部与盐穴底部圆面相连。
盐穴所在的目标盐岩地层9上界面距离地面1的平均距离为1000m，该段地层为上覆泥岩地层2。盐岩层平均厚度约为140m；目标盐岩地层以下为底部泥岩地层10；盐穴储气库设计的最大运行压力为17MPa，最小运行压力为5MPa；完井管柱和注采管柱在顶部圆面81以上50cm位置处通过封隔器6连接。盐穴由顶部圆面81、抛物面82、球面83和底部圆面84组成，顶部圆面与抛物面上部相连，抛物面下部与球面上部相连，球面下部与底部圆面相连。顶部圆面直径为5倍完井管柱直径，即1222.5mm，为了施工方便取为1.2m；完井管柱中心与圆面圆心重合。
如图2所示，倒鸭梨形盐穴储气库截面尺寸为：顶部圆面直径为1.2m；以盐穴顶部中心为坐标原点建立坐标系，抛物线方程为y＝x2/52.99，抛物线与顶部圆面交点坐标为(0.6m，0m)，顶部结构高度为24.48m；圆弧半径为142.6m，圆心坐标为(-106.6m，-90m)，盐穴下部结构高度为90m，底部圆面直径为8m，盐穴顶部最大跨度为72m，盐穴总高度为114.48m，该盐穴储气库总体积为262310m3。
如图1所示，一种倒鸭梨形地下盐穴储气库建造过程如下：
(1)、盐穴高度确定：盐穴储气库设计的最大运行压力为17MPa，最小运行压力为5MPa；为了满足盐穴储气库密封性能要求，盐穴储气库上部和下部预留盐岩厚度均需要不小于10m；考虑到盐岩层平均厚度约为140m，因此盐穴储气库整体高度应该控制在120m以内。
(2)、盐穴下部结构尺寸确定：通过引入边坡失稳计算理论可以得到盐穴储气库下部结构高度为90m、坡底宽度为32m、上部结构高度为24.48m、顶跨为72m、滑坡半径为142.6m。
(3)、盐穴底部圆面尺寸确定：底部圆面半径为半跨(36m)与坡底宽度(32m)之差，则可以得到底部圆面直径为8m。
(4)、盐穴上部结构尺寸确定：通过引入压力拱理论，并结合上述尺寸可以得到盐穴上部结构抛物面方程为y＝x2/52.99，跨度为72m、顶跨高24.48m。
(5)、盐穴顶部圆面尺寸确定：顶部圆面尺寸取为5倍完井管柱直径，即1222.5mm，为了施工方便取为1.2m。
(6)、盐穴顶部和底部预留盐岩层厚度确定：该盐穴储气库设计的最大运行压力为17MPa、最小运行压力为5MPa，为了满足密封性要求盐穴顶部和底部预留盐岩厚度均不小于10m；钻井至1125m位置处，安装完井管柱、注采管柱、中心管柱；注采管柱为天然气注入和采出用的，位于完井管柱中，且两个管柱同心；中心管柱位于在注采管柱中，用于注入淡水或者采出卤水。
(7)、管柱选择：该盐穴储气库在造腔过程中采用一口井眼造一个盐穴的方式造腔；造腔管柱为双管组合管柱，包括中心管柱和注采管柱；中心管柱截面积与中心管柱和注采管柱间环空面积之比为3.4，在1.1～3.7之间；
(8)、腔体形状控制：采用正循环方法进行溶漓造腔，即淡水从中心管柱柱注入到盐穴底部，卤水通过盐穴顶部的注采管柱和中心管柱柱间的环空排出；将盐穴划分为7个溶解区域进行分级溶解。根据盐穴设计高度为114.48m(90m+24.8m)，可以得到每个溶解区域高度为16.35m；从下部向上依次对各个溶解区域进行溶解，当第一溶解区域溶解范围达到设计直径的85％时开始对第二溶解区域进行溶解，第一溶解区域溶解完成后采用声纳测腔技术进行监测；当于设计值出现误差时采用中心管柱和注采管柱同时移动、保持中心管柱位置不变移动注采管柱、保持注采管柱位置不动移动中心管柱、移动阻溶剂面位置、加入阻溶剂或者调整注入淡水速度等方法进行校正；依次类推进行第二至第七溶解区域进行溶解，直到达到设计的溶腔形状和尺寸。
至此，一种倒鸭梨形地下盐穴储气库建造完成，该倒鸭梨盐穴储气库在盐穴上部结构中引入压力拱模型可以有效抵御上部结构变形，下部结构中引入边坡失稳模型可以降低盐穴腔壁发生片帮、失稳的可能性；同时，倒鸭梨形盐穴储气库不增加造腔难度和造腔时间，不显著增加成本。
Claims (10)
1.一种倒鸭梨形地下盐穴储气库，包括完井管柱、注采管柱、中心管柱、水泥环、盐穴；完井管柱从地面深入到盐穴并与盐穴顶部相连，完井管柱与地层采用水泥环连接；注采管柱位于完井管柱中并采用封隔器与完井管柱底部相连；中心管柱位于注采管柱中，在地面位置处悬挂在井口装置上；其特征在于：盐穴为倒鸭梨形状，盐穴顶部为圆形平面，中部为抛物面和球面的组合面，盐穴底部为圆形平面；盐穴顶部的圆形平面与抛物面相连，抛物面底部与球面顶部相连，球面下部与盐穴底部圆面相连。
2.根据权利要求1所述的倒鸭梨形地下盐穴储气库，其特征在于：顶部的圆形平面与抛物面相割。
3.根据权利要求1-2所述的倒鸭梨形地下盐穴储气库，其特征在于：顶部圆形平面的圆心与底部圆形平面的圆心在同一铅直轴线上。
4.根据权利要求1-3所述的倒鸭梨形地下盐穴储气库，其特征在于：顶部圆形平面直径为3-5倍完井管柱直径，完井管柱中心与顶部圆形平面圆心重合。
5.根据权利要求1-4所述的倒鸭梨形地下盐穴储气库，其特征在于：球面与底部的圆形平面相切。
6.一种倒鸭梨形地下盐穴储气库建造方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、盐穴高度确定：根据盐穴所在盐岩地层厚度和设计运行压力确定出盐穴整体高度、盐穴上部结构高度、盐穴下部结构高度和盐穴最大跨度；
(2)、盐穴下部结构尺寸确定：根据盐穴下部结构高度和盐穴最大跨度，确定出盐穴下部坡底宽度、下部腔壁临界滑动面半径；
(3)、盐穴底部圆面尺寸确定：根据盐穴下部坡底宽度和盐穴最大跨度，得到盐穴底部圆面直径；
(4)、盐穴上部结构尺寸确定：根据盐穴上部结构高度和盐穴最大跨度，确定盐穴上部结构形状和尺寸；
(5)、盐穴顶部圆面尺寸确定：根据完井管柱尺寸，盐穴顶部圆面尺寸取为3-5倍完井管柱外径；
(6)、盐穴顶部和底部预留盐岩层厚度确定：根据密封性和稳定性要求，确定出盐穴顶部和底部预留盐岩层厚度，然后钻井至底部预留盐岩层厚度之上；
(7)、管柱选择：造腔管柱为双管组合管柱，包括中心管柱和注采管柱；
(8)、腔体形状控制：采用正循环方法进行造腔，并将整个盐穴按照设计尺寸划分为不同溶解区域，逐级进行溶解，直至达到设计尺寸。
7.根据权利要求6所述的倒鸭梨形地下盐穴储气库建造方法，其特征在于：采用声纳测腔技术对每个溶解区域溶解完成后的腔体形状进行监测，当与设计值出现偏差时通过调整双管组合管柱位置、加入阻溶剂或调整注入淡水速度方法进行校正。
8.根据权利要求6-7所述的倒鸭梨形地下盐穴储气库建造方法，其特征在于：调整组合管柱位置方法包括：中心管柱和注采管柱同时移动、保持中心管柱位置不变移动注采管柱、保持注采管柱位置不动移动中心管柱、移动阻溶剂面位置；中心管柱截面积与中心管柱和注采管柱间环空面积之比为1.1～3.7。
9.根据权利要求6-8所述的倒鸭梨形地下盐穴储气库建造方法，其特征在于：溶漓造腔过程中，在尚未达到前一个设计的溶解区域的溶解半径时，就要开始溶漓后一个溶解区域。
10.根据权利要求6-9所述的倒鸭梨形地下盐穴储气库建造方法，其特征在于：阻溶剂采用油基或气态阻溶剂；油基阻溶剂采用柴油、煤油或重质直馏石脑油；气态阻溶剂采用空气或氮气。
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