鹽穴儲氣庫造腔控制與安全評估

內(nèi)容概要

李銀平、楊春和、施錫林所著的《鹽穴儲氣庫造腔控制與安全評估(精
)》介紹了鹽穴儲氣庫造腔控制與安全評估方面的最新研究及應用成果，包含多項鹽穴儲氣庫建設相關專利技術，并介紹了若干現(xiàn)場應用實例，主要內(nèi)容包括：中國鹽礦地質(zhì)特征概述；夾層鹽巖力學及溶蝕特性試驗研究；層狀鹽巖復合本構及破損理論；水溶造腔夾層垮塌機理與動態(tài)控制技術及應用；鹽穴儲氣庫設計與安全評估。
《鹽穴儲氣庫造腔控制與安全評估(精)》可供鹽穴儲氣庫建造及評估方面的科研和工程技術人員參考，也可為從事鹽礦水溶開采的工程技術人員提供參考。

作者簡介

李銀平，男，42歲，研究員，博士生導師，湖南湘陰人。1991年畢業(yè)于浙江大學工程力學系，獲流體力學學士學位；2003年獲華中科技大學土木學院巖土工程博士學位。主要從事深部鹽礦地下油氣儲備中的關鍵巖石力學問題研究，以及巖石類材料和結構的損傷斷裂研究。先后主持或參與了國家自然科學基金面上項目和重點項目、國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）項目及省部級科技計劃項目等10余項，并承擔國家重大重點工程科技攻關項目（如西氣東輸造腔過程關鍵技術研究項目）多項。合作出版專著2部，發(fā)表論文50余篇（SCI／E1收錄30余篇），授權發(fā)明專利7項、實用新型專利2項。獲國家科學技術進步獎二等獎1項，獲省部級一等獎和三等獎各1項。
楊春和，男，49歲，研究員，博士生導師，江西豐城人。國家杰出青年科學基金獲得者，教育部長江學者獎勵計劃特聘教授，973計劃項目首席科學家。1999年獲美國內(nèi)華達大學地質(zhì)工程博士學位。目前任巖土力學與工程國家重點實驗室副主任，中國巖石力學與工程學會常務理事，中國力學學會理事，《巖土工程學報》副主編。主要從事深部能源儲備中的巖石力學、工程地質(zhì)、計算力學等多學科交叉領域的研究。現(xiàn)承擔包括國家973計劃項目和國家自然科學基金項目等在內(nèi)的10多項國家級科研課題。發(fā)表相關論文150多篇（SCI／EI收錄120余篇），出版專著3部，授權發(fā)明專利8項、實用新型專利4項。作為第一完成人獲國家科學技術進步獎二等獎3項，獲省部級一等獎4項、二等獎2項。
施錫林，男，28歲，博士，助理研究員，山東泰安入。2006年畢業(yè)于山東科技大學，獲工程力學專業(yè)工學學士學位，2011年獲中國科學院武漢巖土力學研究所巖土工程博士學位。主要從事鹽巖工程力學特性、鹽穴水溶造腔技術等方面的研究工作。參與了973計劃項目、國家自然科學基金項目、中科院重要方向性項目等多項國家重大科研計劃項目，以及多項工程應用方面的科技攻關課題。發(fā)表EI收錄論文10余篇，授權發(fā)明專利7項、實用新型專利2項。獲國家科學技術進步獎二等獎和湖北省科技進步獎一等獎各1項。

書籍目錄

序前言第1章 緒論1.1 中國鹽穴儲氣庫建設概況1.2 夾層對儲氣庫水溶造腔的不利影響1.3 夾層對儲氣庫運行安全的影響第2章 中國鹽礦地質(zhì)特征概述2.1 中國鹽礦地層賦存特征2.1.1 井礦鹽成鹽時代2.1.2 含鹽系地層結構特征2.2 中國鹽礦夾層分布特征2.3 我國典型鹽礦的地質(zhì)特征2.3.1 江蘇金壇鹽礦2.3.2 湖北云應鹽礦第3章 夾層鹽巖力學及溶蝕特性試驗研究3.1 夾層鹽巖力學特性試驗3.1.1 單軸壓縮試驗3.1.2 三軸壓縮試驗3.1.3 蠕變試驗3.2 夾層鹽巖界面力學特性試驗3.2.1 鹽巖與夾層的細觀結構3.2.2 界面拉伸試驗3.2.3 界面直剪試驗3.3 夾層溶蝕特性試驗3.3.1 化學分析3.3.2 鹵水浸泡夾層力學特性試驗3.3.3 水溶造腔夾層力學特性的弱化規(guī)律3.4 鹽巖溶解試驗3.4.1 試驗裝置與原理3.4.2 試驗數(shù)據(jù)分析第4章 層狀鹽巖復合本構及破損理論4.1 互層鹽巖體的Cosserat復合本構4.1.1 互層巖體三維擴展模型代表單元4.1.2 三維Cosserat介質(zhì)擴展本構關系4.2 復合鹽巖體破損分析4.3 層狀鹽巖體細觀損傷本構模型4.3.1 本構模型建立4.3.2 模型驗證與應用第5章 水溶造腔夾層垮塌機理5.1 夾層垮塌力學模型5.1.1 造腔過程中夾層的受力狀態(tài)5.1.2 夾層應力分布及變形規(guī)律分析5.2 夾層垮塌的破壞模式及判據(jù)5.2.1 夾層垮塌破壞模式5.2.2 夾層垮塌破壞判據(jù)5.2.3 夾層垮塌趨勢判斷準則5.3 多種造腔因素對夾層垮塌的影響5.3.1 鹽巖溶蝕5.3.2 鹵水侵蝕5.3.3 溶腔內(nèi)壓5.3.4 地應力5.3.5 夾層厚度與跨度之比第6章 水溶造腔控制技術與應用6.1 夾層垮塌的預測和現(xiàn)場辨識6.1.1 夾層垮塌預測方法6.1.2 造腔現(xiàn)場夾層垮塌辨識6.2 夾層垮塌動態(tài)控制6.2.1 夾層垮塌調(diào)控措施6.2.2 夾層垮塌動態(tài)控制流程6.3 油墊層深度檢驗方法6.3.1 檢驗原理與裝置6.3.2 現(xiàn)場操作步驟6.4 夾層垮塌事故應急處理6.5 工程應用6.5.1 溶腔畸形及套管損傷分析案例6.5.2 夾層垮塌現(xiàn)場辨識案例6.5.3 增加溶腔有效體積案例第7章 鹽穴儲氣庫設計與安全評估7.1 儲氣庫設計考慮的主要因素7.2 安全評估的內(nèi)容與標準7.2.1 安全評估的主要內(nèi)容7.2.2 穩(wěn)定性評價準則7.2.3 密閉性評價準則7.3 鹽穴儲氣庫設計與安全評估流程7.3.1 調(diào)查擬建儲庫區(qū)域地質(zhì)特征7.3.2 獲取地層工程力學參數(shù)7.3.3 確定儲氣庫造腔設計參數(shù)7.3.4 確定儲氣庫運行參數(shù)7.3.5 溶腔密閉性檢測與評估7.3.6 儲氣庫運行期監(jiān)測與評估7.4 鹽穴儲氣庫密閉性檢測與評估實例7.4.1 蓋層巖心毛細管封閉能力測試7.4.2 鹽巖地層滲透性原位測試7.4.3 固井套管及鹽層氣密性測試參考文獻

章節(jié)摘錄

版權頁:第1章 緒論1.1 中國鹽穴儲氣庫建設概況1.中國石油及天然氣消費現(xiàn)狀近年來，我國的石油需求量持續(xù)快速增長，與此同時我國的石油進口量也不斷攀升，石油進口依存度逐年遞增，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)（趙俊平、馬小濤，2011）見圖1.1。石油能源對于我國經(jīng)濟有著至關重要的作用，石油消費過度依賴國外進口給我國能源安全帶來了巨大風險。依據(jù)國際能源安全標準，一個國家的石油進口依存度為40%～50%時屬于“不安全”，大于50%時屬于“危機”。從2005年起我國石油進口依存度已突破40%，進入不安全期，2008年后更是進入了危機期，我國迫切需要建立與軍事及經(jīng)濟發(fā)展相協(xié)調(diào)的國家戰(zhàn)略石油儲備。與此同時，隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展及天然氣儲運等基礎設施的大規(guī)模建設，我國天然氣消費量持續(xù)迅速增長。根據(jù)國家統(tǒng)計局最新數(shù)據(jù)，我國近幾年的天然氣消費量如圖1.2所示。國務院發(fā)展研究中心預計2015年我國天然氣消費量將增至1500億m3，2020年將增至3000億m3（劉雪，2010）。從圖1.2中可以看出，我國天然氣消費量正處于高速增長的時期，并且預計在未來很長一段時間都將保持這種高速增長的勢頭。在我國天然氣市場快速發(fā)展的同時，天然氣需求的季節(jié)性波動也給我國天然氣供應安全帶來了巨大的挑戰(zhàn)。2009年年底，天然氣“氣荒”波及了大半個中國，武漢、杭州、南京、重慶、鄭州等多個城市出現(xiàn)了巨大的天然氣供應缺口，出租車因加氣難而排起車龍長陣；城市居民的日常供暖也受到了嚴重影響，如北京冬季高峰時天然氣日消耗量超過5000萬m3/d，而在夏季低谷消耗量不足400萬m3/d（王秀強，2010）。在此背景下，為保障我國天然氣供應安全，加快天然氣戰(zhàn)略儲備及調(diào)峰氣庫建設就顯得至關重要。2.中國密集的油氣管網(wǎng)在加快油氣勘探開發(fā)力度的同時，我國還大力推進長輸管道建設，西氣東輸、川氣東送、寧蘭、忠武、陜京、冀寧等主干管道相繼建成投產(chǎn)后，全國性天然氣管網(wǎng)的主體框架就已經(jīng)形成。截至2005年年底，已建成天然氣管道共計2.62萬km（劉然冰，2008）；截至2008年年底，我國已建成投入運營的長輸油氣管道6萬多km，其中天然氣管道3.3萬km（王旭輝、吳莉，2009）。我國密集的油氣管網(wǎng)布局已初步形成，如圖1.3所示。按照與市場相匹配管道里程和供應能力計算，初步預計，2015年中國天然氣管道長度將接近10萬km，其中主干道和支干線的建設將達到2.5萬～4.0萬km，支線建設將達到3.5萬～4.0萬km（李曉慧，2010）。如此大規(guī)模的長輸天然氣管線迫切需要大量安全、高效的調(diào)峰保安氣庫。在大口徑天然氣長輸管道的中下游，主要是我國中東部地區(qū)，最需要建立天然氣地下儲庫，但是到目前為止這些地區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)可用作地下儲氣庫的含水構造、枯竭油氣藏等合適的地質(zhì)構造；而我國中東部地區(qū)有豐富的井礦鹽資源，因此，在中東部地區(qū)建設大規(guī)模地下鹽穴儲氣庫成為我國的必然選擇。3.國內(nèi)外地下儲氣庫建設概況利用深部鹽礦水溶開采形成的地下空間進行油氣儲備已成為國際上首選的能源儲備方式。美國、德國、加拿大、法國等西方發(fā)達國家都已建成大量的大規(guī)模鹽巖地下油氣儲庫群，用于國家能源戰(zhàn)略儲備。據(jù)統(tǒng)計，截至2009年年底，全世界已建成74座鹽穴儲氣庫并投入運行，主要分布在美國和歐洲，詳見表1.1（丁國生、張昱文，2010）。目前，為保障天然氣供應安全，國際上天然氣儲備占總消費量的比重一般在10%左右，有的國家或地區(qū)達15%以上（如美國為20%、俄羅斯為16%）。根據(jù)國際慣例，我國需建立年消費量10%～15%（即2020年300億～450億m3）的天然氣儲備，以確保天然氣供應安全，而目前中國的天然氣儲備僅為消費量的3%左右（鐘晶晶，2010），遠低于世界平均水平，調(diào)峰能力明顯不足。我國目前的天然氣儲備概況如下：中國的地下儲氣庫建設起步較晚，20世紀70年代在大慶油田曾進行過利用枯竭氣藏建設儲氣庫的嘗試。真正開始研究地下儲氣庫是在90年代初，隨著陜甘寧大氣田的發(fā)現(xiàn)和陜京天然氣輸氣管線的建設，才開始研究建設地下儲氣庫以確保北京和天津兩大城市的安全供氣。到目前為止，在天津市附近的大港油田利用枯竭凝析氣藏建成了三個地下儲氣庫，即大張坨地下儲氣庫、板876地下儲氣庫和板中北儲氣庫，這三個儲氣庫總的調(diào)峰氣量為20.0×108m3左右（丁國生、謝萍，2006）。從近幾年的儲氣庫對確保京津地區(qū)的安全供氣所發(fā)揮的作用來看，儲氣庫已經(jīng)成為天然氣消費和輸送過程中不可缺少的重要組成部分。西氣東輸工程西起新疆輪南，途經(jīng)10個省、自治區(qū)、直轄市，全長約4000km，設計年輸氣量達120億m3，現(xiàn)正在進行的增輸工程達到170億m3。為確保西氣東輸工程的順利實施，保證西氣東輸管線沿線和下游長江三角洲地區(qū)用戶的正常用氣，在長江三角洲地區(qū)選擇了江蘇省金壇鹽礦和劉莊建設地下儲氣庫，其工作用氣量規(guī)模占總設計的85%以上（龐維龍、屈丹安，2008），地下儲氣庫已于2006年陸續(xù)投入使用。另外，中國石油天然氣集團公司（簡稱中石油）在湖北應城和河南平頂山也正在籌建天然氣儲氣庫，并已經(jīng)通過了國家層面的可行性論證。中石油計劃在2011～2015年修建10座儲氣庫，總庫容達到224億m3，分布在氣源所在地和消費中心，以及大型骨干管網(wǎng)周邊，包括長慶、遼河、重慶等地。上述項目建成后，國內(nèi)儲氣規(guī)模將占天然氣總銷量的8%～10%（王秀強，2010）。為配合川渝天然氣東輸“兩湖”地區(qū)，我國還將在長江中游地區(qū)（如湖北潛江）建設地下儲氣庫。同時，川氣東送管線長江下游的金壇鹽穴儲氣庫也馬上投入建設，以確保川氣東送工程的供氣安全。可見，在鹽巖地層中實施油氣地下儲備已成為我國能源戰(zhàn)略儲備的重點部署方向，鹽巖地下儲庫群大規(guī)模興建已經(jīng)開始，未來10～20年，我國將迎來地下儲氣（油）儲庫建設的高峰。1.2 夾層對儲氣庫水溶造腔的不利影響國內(nèi)外深部鹽礦開采生產(chǎn)實踐表明，單井油墊對流法水溶開采是一種先進的開采工藝，在鹽穴儲氣庫腔體形態(tài)控制方面具有許多突出優(yōu)點：（1）造腔早期，建槽效率高。在短期內(nèi)可以建成形態(tài)較為理想的大型沉渣槽，有利于提高鹽層的利用率、增大單腔儲庫體積。（2）造腔中期，可以有效控制上溶，防止溶腔形成過程中頂板的過早垮塌；可以人為控制側(cè)溶時間，以形成橫向尺寸適當?shù)那惑w。（3）造腔后期，可建成更為穩(wěn)定的頂板形態(tài)，有利于提高頂板穩(wěn)定性，同時可以達到預留一定的腔頂鹽巖保護層的目的。以上優(yōu)點均有利于保證鹽穴儲氣庫建成后的安全性，是其他水溶開采方式所不能達到的，因此這種水溶造腔方法廣為世界各國采用。如圖1.4所示，單井油墊對流法水溶造腔的基本工藝流程是：通過鉆井使得鹽層與地面連通，在鉆井中下入生產(chǎn)套管、造腔外管、造腔內(nèi)管等管柱；安裝好井口裝置后，向井下注入飽和鹵水充滿所有套管及其環(huán)隙；接著將柴油從生產(chǎn)套管和造腔外管的環(huán)隙注入，直至柴油充滿環(huán)隙及溶腔頂部，油墊層的深度由造腔外管下入深度控制；然后把淡水或淡鹵水注入井下，并通過一定的技術手段將鹵水收集到地面，地下鹽腔容積在鹽巖溶蝕后不斷擴大；適時調(diào)整造腔內(nèi)管和造腔外管的深度，并根據(jù)實際情況采用正循環(huán)或反循環(huán)方式，以達到人為控制腔體周圍鹽巖溶蝕程度的目的，從而最終獲得較為理想的儲庫腔體形狀。國外用于地下儲庫的鹽礦床普遍為鹽丘或厚鹽層，鹽巖品位較高、均質(zhì)性好，水溶造腔施工比較容易開展，可以得到較為理想的儲庫形狀，且儲氣能力較大，如德國的鹽穴儲氣庫，其單腔直徑為50～80m；高度為100～300m，最高達550m；單庫容積一般大于30萬m3。我國在建或擬建鹽穴儲氣庫的場址均為多夾層鹽巖礦床，其基本特點是礦層層數(shù)多、單層厚度薄，礦床中含有大量難溶夾層，如硬石膏層、鈣芒硝層、泥巖層等（王清明，2003；楊春和等，2009）。難溶夾層的滯后溶蝕會導致腔體內(nèi)流場紊亂，腔體形狀很難控制，形態(tài)失控嚴重時會導致腔體報廢。

編輯推薦

《鹽穴儲氣庫造腔控制與安全評估》由科學出版社有限責任公司出版。

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