CN110096824A - 盐穴储油库稳定性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盐穴储油库稳定性评价方法，包括以下步骤：S1、盐岩地层地应力获取；S2、地层结构参数获取；S3、盐岩物理力学参数获取；S4、盐穴储油库三维形状参数和温度获取；S5、稳定性评价指标确定；S6、盐穴储油库腔壁作用载荷确定；S7、盐穴储油库三维地质力学模型建立及仿真计算；S8、现场监测及稳定性评价指标标定。相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：适用于盐穴储油库的稳定性评价；评价步骤简单、评价指标明确、可操作性强，可以实现对盐穴储油库稳定性定量评价，优化出合理运行参数以提高盐穴储油库的稳定性，同时还可以根据稳定性评价结果给出合理的措施来预防或者消除盐穴储油库可能发生的失稳破坏。

Description

盐穴储油库稳定性评价方法

技术领域

本发明属于油气资源开发领域，具体地，涉及一种盐穴储油库稳定性评价方法。

背景技术

利用盐穴进行石油储备是国际上进行石油战略储备的主要方式之一，具有存储量大、成本低和油品品质保持时间长等优点。存储石油的盐穴储油库体积较大，一般可以达到几十万方甚至上百万方。同时，一个盐穴储油库一般由多个盐穴构成，它们形成一个相互影响的地下体系。因此，如何保证这些大型地下空间的结构稳定性至关重要。国外已经发生几十起盐穴储油库失稳破坏的案例，造成了巨大的经济损失和环境污染。国内盐穴储气库也发生过顶部脱落、腔壁片帮等失稳等事故。由于盐岩在破坏过程中表现出剪胀和塑性破坏特征，而盐穴失稳破坏时表现出典型的脆性破坏(掉块、片帮、开裂)和塑性破坏(体积收缩、腔底隆起和腔壁大变形)特征，给准确预测盐穴失稳破坏带来了技术挑战。同时，由于盐穴储油库一般位于地下几百米甚至上千米，属于隐护工程，缺乏有效、实时的监测手段。目前，盐穴储油库稳定性评价主要存在以下技术难题：

(1)缺乏系统的稳定性评价指标体系。由于盐穴储油库稳定性破坏类型较多，包括延性破坏、脆性破坏、套管密封失效破坏和盐穴腔体密封性(腔壁失稳导致)失效破坏，而这些失效破坏特征很难用单一指标进行评估。而传统的盐穴储油库稳定性评价以单一指标为主，未能够形成一套针对盐穴储油库破坏特征的评价体系。这导致传统的盐穴储油库稳定性评价不能准确预测盐穴储油库稳定性破坏，不能对盐穴储油库稳定性控制参数进行优化。

(2)缺乏盐穴储油库稳定性评价的规范流程和步骤。由于盐穴储油库稳定性评价是一个系统工程，含有很多步骤并且这些步骤的顺序也可能会根据操作者的个人喜好而异，这就给盐穴储油库稳定性评价带来了很多不确定性。例如，对于同一盐穴储油库，不同评价人员得到的评价结果可能会不同，甚至结论完全相反。因此，亟需规范盐穴储油库稳定性评价流程和步骤。

(3)缺乏盐穴储油库稳定性评价过程中所需参数清单。在盐穴储油库稳定性评价过程中需要用到大量的相关参数，这些参数需要通过现场监测或者室内实验才能获得，所需时间较长。如果不能在盐穴储油库稳定性评价之前给出详细、准确的参数清单，将会严重影响和滞后盐穴储油库稳定性评价工作的开展。而目前尚未有相关参数清单可以借鉴和参考。

基于上述原因亟需发明一种盐穴储油库稳定性评价方法，解决目前盐穴储油库稳定性评价过程中缺乏稳定性评价指标体系、稳定性评价的规范流程和步骤、稳定性评价过程中所需参数清单的难题，为确保我国盐穴储油库安全提供技术保证。

发明内容

针对盐穴储油库稳定性评价过程中缺乏系统性评价指标体系、相应的规范流程和步骤和所需参数清单的难题，本发明提供了一种盐穴储油库稳定性评价方法，解决上述难题，使得盐穴储油库稳定性评价有章可依。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

盐穴储油库稳定性评价方法，包括以下步骤：

S1、盐岩地层地应力获取

S2、地层结构参数获取

S3、盐岩物理力学参数获取

S4、盐穴储油库三维形状参数和温度获取

S5、稳定性评价指标确定

S6、盐穴储油库腔壁作用载荷确定

S7、盐穴储油库三维地质力学模型建立及仿真计算

S8、现场监测及稳定性评价指标标定。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：评价指标明确、评价步骤简单、可操作性强，可以实现对盐穴储油库稳定性进行定量评价，优化出合理运行参数以提高盐穴储油库的稳定性，同时还可以根据稳定性评价结果给出合理的措施来预防盐穴储油库可能发生的失稳破坏。

附图说明

图1是盐穴储油库结构示意图；

图2是盐穴储油库腔壁作用载荷示意图；

图中：1、地面井口注采装置，2、原油注排管柱，3、完井管柱，4、环空保护液，5、上覆地层，6、封隔器，7、套管鞋，8、井脖子，9、盐穴，10、盐岩地层，11、卤水注排管柱，12、原油，13、卤水，14、下卧地层，15、套管鞋位置处压力，16、原油卤水界面处压力，17、盐穴底部压力。

具体实施方式

如图1所示，盐穴储油库，包括：地面井口注采装置1、原油注排管柱2、卤水注排管柱11、完井管柱3；地面井口注采装置1位于地表，用于原油和卤水的注入和排出；地面井口注采装置1与原油注排管柱2、卤水注排管柱11、完井管柱3顶部相连；原油注排管柱2底部与盐穴9顶部相连，可以向盐穴9内注入和排出原油；原油注排管柱2位于完井管柱3内，原油注排管柱2在完井管柱下部通过封隔器6相连；卤水注排管柱11位于原油注排管柱2内，与盐穴底部相连，可以向盐穴9内注入和排出卤水；完井管柱3位于上覆地层5和盐岩地层10中，完井管柱底部有套管鞋7，套管鞋7位于盐岩地层内；完井管柱3底部与盐穴9通过井脖子8相连；卤水13位于盐穴底部，通过注入和排出卤水将原油排出和注入盐穴中；下卧地层14位于盐穴下部；在套管鞋7位置处作用有原油压力，称为套管鞋处压力15；在原油卤水界面处作用的压力称为原油卤水界面处压力16，其值随着原油卤水界面深度改变而改变；盐穴底部作用有卤水压力，称为盐穴底部压力17。

上述盐穴储油库稳定性评价方法，包括以下步骤：

S1、盐岩地层地应力获取

打竖直井至盐穴储油库建库目标层位，开展小型水力压裂实验以获得盐岩地层中地应力值及其梯度；为了准确描述盐岩地层中地应力值及其梯度分布规律，需要在同一个井眼不同深度位置处选取不少于3个层位进行地应力测试；为了降低单次测量误差对最终地应力测试结果的影响，在采用小型水力压裂实验进行地应力测试时，对于每个层位一共需要进行不少于5次裂缝开启/闭合测试；

利用小型水力压裂获得地应力及其梯度分布规律可以为盐穴储油库稳定性评价计算过程中提供边界条件；

S2、地层结构参数获取

利用三维地震勘探技术确定出盐穴储油库建造区域的地质构造特征，包括：盐岩顶面、盐岩底面、盐岩厚度分布、沉积相带分布、地层断层分布；

S3、盐岩物理力学参数获取

通过钻探井，进行取心作业，获得建库区域地层岩心；取心范围从地表直到盐岩层底面以下100m，获得上覆岩层、盐岩层和下卧地层的岩心试样；根据《水利水电工程岩石试验规程(DLJ 204-81)》中的要求，将上述岩心加工成不同实验类型要求的标准试样；对这些试样开展密度测试、组分测试、渗透率测试、孔隙度测试、单轴抗压强度测试、抗拉强度测试、内摩擦角测试、黏聚力测试、稳态蠕变速率测试、抗剪强度测试、突破压力测试；为了保证实验结果的可靠性，对同一条件下岩石力学实验测试的试样为3～5块；

S4、盐穴储油库三维形状参数和温度获取

利用测腔设备对盐穴储油库的三维形状进行测量，获得腔体形状参数包括：盐穴顶部埋深、盐穴底部埋深、盐穴高度、盐穴最大半径；盐穴储油库的三维形状测量时根据测量效果实时调整垂直面上的测量间距和水平面上测量间隔角，根据测量结果可以确定出腔壁各个点的三维坐标值；利用测腔设备中的温度传感器对盐穴顶部、盐穴底部温度进行测量；

S5、稳定性评价指标确定

由于盐岩和盐穴破坏同时表现出典型脆性和塑性破坏特征，选取剪胀安全系数、等效应变、变形量、体积收缩率、塑性区作为盐穴储油库稳定性评价指标；考虑到完井管柱位于盐穴顶部，在盐穴储油库体积收缩载荷作用下主要发生轴向拉伸破坏，选取完井管柱轴向应变作为安全评价指标；盐穴储油库发生密封性失效主要表现为渗流范围超过限值、流体穿透上覆地层，选取原油穿透安全系数、原油渗流范围作为安全评价指标；结合具体盐穴储油库所在目标地层的地层结构、岩石物理力学参数、盐穴储油库三维形状参数和盐穴储油库运行参数确定出上述指标对应的安全临界值；

S6、盐穴储油库腔壁作用载荷确定

利用室内实验获得原油和卤水在盐穴储气库所在地层温度下的密度；根据套管鞋位置处埋深和原油密度计算出套管鞋位置处压力；原油卤水界面处压力等于套管鞋位置处压力加上套管鞋与原油卤水界面间原油静压力，套管鞋与原油卤水界面间原油静压力等于套管鞋与原油卤水界面间垂直高度与原油密度的乘积；盐穴底部压力等于原油卤水界面处压力加上原油卤水界面与盐穴底部间卤水静压力，原油卤水界面与盐穴底部间卤水静压力等于原油卤水界面与盐穴底部间垂直高度与卤水密度的乘积；在盐穴储油库稳定性评价计算时，套管鞋位置处施加计算得到的套管鞋位置处压力；套管鞋与原油卤水界面之间的部分施加原油压力梯度，在原油卤水界面位置处压力值正好等于原油卤水界面处压力；原油卤水界面与盐穴底部之间的部分施加卤水压力梯度，在盐穴底部位置处压力正好等于盐穴底部压力；

S7、盐穴储油库三维地质力学模型建立及仿真计算

根据盐穴储油库所在地层结构、岩石物理力学和盐穴储油库三维形状参数，建立三维地质力学模型；该模型为一个长方体，盐岩层位于模型中间，盐穴位于盐岩层的中间；盐穴储油库内作用有相应的压力，其值由S6中的方法计算得到；三维地质力学模型顶部施加有上覆岩层压力；三维地质力学模型四个垂直面上施加有水平向约束，限制模型发生水平变形，在垂直方向上可以发生自由垂直变形；三维地质力学模型底部施加有固定约束，限制发生水平和垂直变形；对模型施加初始地应力和地应力梯度，其值由S1中的小型水力压裂实验获得；该三维地质力学模型需要进行网格划分，需要对三维地质力学模型的网格尺寸独立性、计算结果的收敛性和网格质量进行校核，确保计算结果的可靠性；数值模拟计算时间按照《QSY1416-2011盐穴储气库腔体设计规范》选取；根据上述三维地质力学模型、边界条件、载荷对盐穴储油库围岩的应力、变形、渗流压力进行模拟计算；根据剪胀安全系数、等效应变、变形量、体积收缩率、塑性区、完井管柱轴向应变、原油穿透安全系数、原油渗流范围计算公式，将计算获得应力、变形、渗流压力代入，计算得到上述指标相应的数值并绘制出相应的云图；根据剪胀安全系数、等效应变、变形量、体积收缩率、塑性区、完井管柱轴向应变、原油穿透安全系数、原油渗流范围的临界安全值，对盐穴储油库稳定性进行评价，并根据评价结果对盐穴储油库运行参数进行调整和优化；

S8、现场监测及稳定性评价指标标定

利用测腔设备对盐穴储油库每5年测量一次，获得该盐穴储油库的体积收缩率、腔壁变形量和腔壁掉块测量结果；利用GPS和水准仪对该盐穴储油库的地表沉降量每年测量一次，获得地表沉降量；监测井口压力变化对盐穴储油库的套管鞋和盐穴腔体密封性进行评估；利用现场上述监测结果对剪胀安全系数、等效应变、变形量、体积收缩率、塑性区、完井管柱轴向应变、原油穿透安全系数、原油渗流范围的临界安全值进行实时调整，确保确定出来的盐穴储油库稳定性评价指标的科学性和可靠性。

至此，利用本发明方法可以有效解决盐穴储油库稳定性评价过程中缺乏评价指标体系、缺乏稳定性评价的规范流程和步骤和缺乏所需参数清单的难题，具有操作步骤明确、参数取值范围清晰优点。

Claims (9)

1.一种盐穴储油库稳定性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、盐岩地层地应力获取

S2、地层结构参数获取

S3、盐岩物理力学参数获取

S4、盐穴储油库三维形状参数和温度获取

S5、稳定性评价指标确定

S6、盐穴储油库腔壁作用载荷确定

S7、盐穴储油库三维地质力学模型建立及仿真计算

S8、现场监测及稳定性评价指标标定。

2.根据权利要求1所述的盐穴储油库稳定性评价方法，其特征在于，S1具体方法如下：打竖直井至盐穴储油库建库目标层位，开展小型水力压裂实验以获得盐岩地层中地应力值及其梯度，需要在同一个井眼不同深度位置处选取不少于3个层位进行地应力测试，在采用小型水力压裂实验进行地应力测试时，对于每个层位一共需要进行不少于5次裂缝开启/闭合测试。

3.根据权利要求1-2所述的盐穴储油库稳定性评价方法，其特征在于，S2具体方法如下：利用三维地震勘探技术确定出盐穴储油库建造区域的地质构造特征，包括：盐岩顶面、盐岩底面、盐岩厚度分布、沉积相带分布、地层断层分布。

4.根据权利要求1-3所述的盐穴储油库稳定性评价方法，其特征在于，S3具体方法如下：通过钻探井，进行取心作业，获得建库区域地层岩心；取心范围从地表直到盐岩层底面以下100m，获得上覆岩层、盐岩层和下卧地层的岩心试样；根据《水利水电工程岩石试验规程(DLJ 204-81)》中的要求，将上述岩心加工成不同实验类型要求的标准试样；对这些试样开展密度测试、组分测试、渗透率测试、孔隙度测试、单轴抗压强度测试、抗拉强度测试、内摩擦角测试、黏聚力测试、稳态蠕变速率测试、抗剪强度测试、突破压力测试，对同一条件下岩石力学实验测试的试样为3～5块。

5.根据权利要求1-4所述的盐穴储油库稳定性评价方法，其特征在于，S4具体方法如下：利用测腔设备对盐穴储油库的三维形状进行测量，获得盐穴形状参数包括：盐穴顶部埋深、盐穴底部埋深、盐穴高度、盐穴最大半径；盐穴储油库的三维形状测量时根据测量效果实时调整垂直面上的测量间距和水平面上测量间隔角，根据测量结果可以确定出腔壁各个点的三维坐标值；利用测腔设备中的温度传感器对盐穴顶部、盐穴底部温度进行测量。

6.根据权利要求1-5所述的盐穴储油库稳定性评价方法，其特征在于，S5具体方法如下：选取剪胀安全系数、等效应变、变形量、体积收缩率、塑性区作为盐穴储油库稳定性评价指标，选取完井管柱轴向应变作为安全评价指标，选取原油穿透安全系数、原油渗流范围作为安全评价指标；结合具体盐穴储油库所在目标地层的地层结构、岩石物理力学参数、盐穴储油库三维形状参数和盐穴储油库运行参数确定出上述指标对应的安全临界值。

7.根据权利要求1-6所述的盐穴储油库稳定性评价方法，其特征在于，S6具体方法如下：利用室内实验获得原油和卤水在盐穴储气库所在地层温度下的密度；根据套管鞋位置处埋深和原油密度计算出套管鞋位置处压力；原油卤水界面处压力等于套管鞋位置处压力加上套管鞋与原油卤水界面间原油静压力，套管鞋与原油卤水界面间原油静压力等于套管鞋与原油卤水界面间垂直高度与原油密度的乘积；盐穴底部压力等于原油卤水界面处压力加上原油卤水界面与盐穴底部间卤水静压力，原油卤水界面与盐穴底部间卤水静压力等于原油卤水界面与盐穴底部间垂直高度与卤水密度的乘积；在盐穴储油库稳定性评价计算时，套管鞋位置处施加计算得到的套管鞋位置处压力；套管鞋与原油卤水界面之间的部分施加原油压力梯度，在原油卤水界面位置处压力值正好等于原油卤水界面处压力；原油卤水界面与盐穴底部之间的部分施加卤水压力梯度，在盐穴底部位置处压力正好等于盐穴底部压力。

8.根据权利要求1-7所述的盐穴储油库稳定性评价方法，其特征在于，S7具体方法如下：根据盐穴储油库所在地层结构、岩石物理力学和盐穴储油库三维形状参数，建立三维地质力学模型；该模型为一个长方体，盐岩层位于模型中间，盐穴位于盐岩层的中间；盐穴储油库内作用有相应的压力，其值由S6中的方法计算得到；三维地质力学模型顶部施加有上覆岩层压力；三维地质力学模型四个垂直面上施加有水平向约束，限制模型发生水平变形，在垂直方向上可以发生自由垂直变形；三维地质力学模型底部施加有固定约束，限制发生水平和垂直变形；对模型施加初始地应力和地应力梯度，其值由S1中的小型水力压裂实验获得；该三维地质力学模型需要进行网格划分，需要对三维地质力学模型的网格尺寸独立性、计算结果的收敛性和网格质量进行校核，确保计算结果的可靠性；数值模拟计算时间按照《QSY1416-2011盐穴储气库腔体设计规范》选取；根据上述三维地质力学模型、边界条件、载荷对盐穴储油库围岩的应力、变形、渗流压力进行模拟计算；根据剪胀安全系数、等效应变、变形量、体积收缩率、塑性区、完井管柱轴向应变、原油穿透安全系数、原油渗流范围计算公式，将计算获得应力、变形、渗流压力代入，计算得到上述指标相应的数值并绘制出相应的云图；根据剪胀安全系数、等效应变、变形量、体积收缩率、塑性区、完井管柱轴向应变、原油穿透安全系数、原油渗流范围的临界安全值，对盐穴储油库稳定性进行评价，并根据评价结果对盐穴储油库运行参数进行调整和优化。

9.根据权利要求1-8所述的盐穴储油库稳定性评价方法，其特征在于，S8具体方法如下：利用测腔设备对盐穴储油库每5年测量一次，获得该盐穴储油库的体积收缩率、腔壁变形量和腔壁掉块测量结果；利用GPS和水准仪对该盐穴储油库的地表沉降量每年测量一次，获得地表沉降量；监测井口压力变化对盐穴储油库的套管鞋和盐穴腔体密封性进行评估；利用现场上述监测结果对剪胀安全系数、等效应变、变形量、体积收缩率、塑性区、完井管柱轴向应变、原油穿透安全系数、原油渗流范围的临界安全值进行实时调整，确保确定出来的盐穴储油库稳定性评价指标的科学性和可靠性。