鹽穴儲(chǔ)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(chǔ)氣庫造腔控制與安全評估(精
)》介紹了鹽穴儲(chǔ)氣庫造腔控制與安全評估方面的最新研究及應(yīng)用成果，包含多項(xiàng)鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)相關(guān)專利技術(shù)，并介紹了若干現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)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(xué)及溶蝕特性試驗(yàn)研究；層狀鹽巖復(fù)合本構(gòu)及破損理論；水溶造腔夾層垮塌機(jī)理與動(dòng)態(tài)控制技術(shù)及應(yīng)用；鹽穴儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)與安全評估。
《鹽穴儲(chǔ)氣庫造腔控制與安全評估(精)》可供鹽穴儲(chǔ)氣庫建造及評估方面的科研和工程技術(shù)人員參考，也可為從事鹽礦水溶開采的工程技術(shù)人員提供參考。

作者簡介

李銀平，男，42歲，研究員，博士生導(dǎo)師，湖南湘陰人。1991年畢業(yè)于浙江大學(xué)工程力學(xué)系，獲流體力學(xué)學(xué)士學(xué)位；2003年獲華中科技大學(xué)土木學(xué)院巖土工程博士學(xué)位。主要從事深部鹽礦地下油氣儲(chǔ)備中的關(guān)鍵巖石力學(xué)問題研究，以及巖石類材料和結(jié)構(gòu)的損傷斷裂研究。先后主持或參與了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和重點(diǎn)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目及省部級科技計(jì)劃項(xiàng)目等10余項(xiàng)，并承擔(dān)國家重大重點(diǎn)工程科技攻關(guān)項(xiàng)目（如西氣東輸造腔過程關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目）多項(xiàng)。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(quán)發(fā)明專利7項(xiàng)、實(shí)用新型專利2項(xiàng)。獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲省部級一等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)。
楊春和，男，49歲，研究員，博士生導(dǎo)師，江西豐城人。國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，教育部長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃特聘教授，973計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家。1999年獲美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)地質(zhì)工程博士學(xué)位。目前任巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)常務(wù)理事，中國力學(xué)學(xué)會(huì)理事，《巖土工程學(xué)報(bào)》副主編。主要從事深部能源儲(chǔ)備中的巖石力學(xué)、工程地質(zhì)、計(jì)算力學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域的研究?，F(xiàn)承擔(dān)包括國家973計(jì)劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等在內(nèi)的10多項(xiàng)國家級科研課題。發(fā)表相關(guān)論文150多篇（SCI／EI收錄120余篇），出版專著3部，授權(quán)發(fā)明專利8項(xiàng)、實(shí)用新型專利4項(xiàng)。作為第一完成人獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)3項(xiàng)，獲省部級一等獎(jiǎng)4項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。
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(xué)，獲工程力學(xué)專業(yè)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2011年獲中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土工程博士學(xué)位。主要從事鹽巖工程力學(xué)特性、鹽穴水溶造腔技術(shù)等方面的研究工作。參與了973計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院重要方向性項(xiàng)目等多項(xiàng)國家重大科研計(jì)劃項(xiàng)目，以及多項(xiàng)工程應(yīng)用方面的科技攻關(guān)課題。發(fā)表EI收錄論文10余篇，授權(quán)發(fā)明專利7項(xiàng)、實(shí)用新型專利2項(xiàng)。獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)和湖北省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)各1項(xiàng)。

書籍目錄

序前言第1章 緒論1.1 中國鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)概況1.2 夾層對儲(chǔ)氣庫水溶造腔的不利影響1.3 夾層對儲(chǔ)氣庫運(yùn)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(shí)代2.1.2 含鹽系地層結(jié)構(gòu)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(yīng)鹽礦第3章 夾層鹽巖力學(xué)及溶蝕特性試驗(yàn)研究3.1 夾層鹽巖力學(xué)特性試驗(yàn)3.1.1 單軸壓縮試驗(yàn)3.1.2 三軸壓縮試驗(yàn)3.1.3 蠕變試驗(yàn)3.2 夾層鹽巖界面力學(xué)特性試驗(yàn)3.2.1 鹽巖與夾層的細(xì)觀結(jié)構(gòu)3.2.2 界面拉伸試驗(yàn)3.2.3 界面直剪試驗(yàn)3.3 夾層溶蝕特性試驗(yàn)3.3.1 化學(xué)分析3.3.2 鹵水浸泡夾層力學(xué)特性試驗(yàn)3.3.3 水溶造腔夾層力學(xué)特性的弱化規(guī)律3.4 鹽巖溶解試驗(yàn)3.4.1 試驗(yàn)裝置與原理3.4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析第4章 層狀鹽巖復(fù)合本構(gòu)及破損理論4.1 互層鹽巖體的Cosserat復(fù)合本構(gòu)4.1.1 互層巖體三維擴(kuò)展模型代表單元4.1.2 三維Cosserat介質(zhì)擴(kuò)展本構(gòu)關(guān)系4.2 復(fù)合鹽巖體破損分析4.3 層狀鹽巖體細(xì)觀損傷本構(gòu)模型4.3.1 本構(gòu)模型建立4.3.2 模型驗(yàn)證與應(yīng)用第5章 水溶造腔夾層垮塌機(jī)理5.1 夾層垮塌力學(xué)模型5.1.1 造腔過程中夾層的受力狀態(tài)5.1.2 夾層應(yīng)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(zhǔn)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(yīng)力5.3.5 夾層厚度與跨度之比第6章 水溶造腔控制技術(shù)與應(yīng)用6.1 夾層垮塌的預(yù)測和現(xiàn)場辨識6.1.1 夾層垮塌預(yù)測方法6.1.2 造腔現(xiàn)場夾層垮塌辨識6.2 夾層垮塌動(dòng)態(tài)控制6.2.1 夾層垮塌調(diào)控措施6.2.2 夾層垮塌動(dòng)態(tài)控制流程6.3 油墊層深度檢驗(yàn)方法6.3.1 檢驗(yàn)原理與裝置6.3.2 現(xiàn)場操作步驟6.4 夾層垮塌事故應(yīng)急處理6.5 工程應(yīng)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(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)與安全評估7.1 儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)考慮的主要因素7.2 安全評估的內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)7.2.1 安全評估的主要內(nèi)容7.2.2 穩(wěn)定性評價(jià)準(zhǔn)則7.2.3 密閉性評價(jià)準(zhǔn)則7.3 鹽穴儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)與安全評估流程7.3.1 調(diào)查擬建儲(chǔ)庫區(qū)域地質(zhì)特征7.3.2 獲取地層工程力學(xué)參數(shù)7.3.3 確定儲(chǔ)氣庫造腔設(shè)計(jì)參數(shù)7.3.4 確定儲(chǔ)氣庫運(yùn)行參數(shù)7.3.5 溶腔密閉性檢測與評估7.3.6 儲(chǔ)氣庫運(yùn)行期監(jiān)測與評估7.4 鹽穴儲(chǔ)氣庫密閉性檢測與評估實(shí)例7.4.1 蓋層巖心毛細(xì)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(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁:第1章 緒論1.1 中國鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)概況1.中國石油及天然氣消費(fèi)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(shí)我國的石油進(jìn)口量也不斷攀升，石油進(jìn)口依存度逐年遞增，具體統(tǒng)計(jì)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(jì)有著至關(guān)重要的作用，石油消費(fèi)過度依賴國外進(jìn)口給我國能源安全帶來了巨大風(fēng)險(xiǎn)。依據(jù)國際能源安全標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)國家的石油進(jìn)口依存度為40%～50%時(shí)屬于“不安全”，大于50%時(shí)屬于“危機(jī)”。從2005年起我國石油進(jìn)口依存度已突破40%，進(jìn)入不安全期，2008年后更是進(jìn)入了危機(jī)期，我國迫切需要建立與軍事及經(jīng)濟(jì)發(fā)展相協(xié)調(diào)的國家戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備。與此同時(shí)，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展及天然氣儲(chǔ)運(yùn)等基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，我國天然氣消費(fèi)量持續(xù)迅速增長。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局最新數(shù)據(jù)，我國近幾年的天然氣消費(fèi)量如圖1.2所示。國務(wù)院發(fā)展研究中心預(yù)計(jì)2015年我國天然氣消費(fèi)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(fèi)量正處于高速增長的時(shí)期，并且預(yù)計(jì)在未來很長一段時(shí)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(shí)，天然氣需求的季節(jié)性波動(dòng)也給我國天然氣供應(yīng)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(gè)中國，武漢、杭州、南京、重慶、鄭州等多個(gè)城市出現(xiàn)了巨大的天然氣供應(yīng)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(yán)重影響，如北京冬季高峰時(shí)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(qiáng)，2010）。在此背景下，為保障我國天然氣供應(yīng)安全，加快天然氣戰(zhàn)略儲(chǔ)備及調(diào)峰氣庫建設(shè)就顯得至關(guān)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(shí)，我國還大力推進(jìn)長輸管道建設(shè)，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(jì)2.62萬km（劉然冰，2008）；截至2008年年底，我國已建成投入運(yùn)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(yīng)能力計(jì)算，初步預(yù)計(jì)，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(shè)將達(dá)到2.5萬～4.0萬km，支線建設(shè)將達(dá)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(chǔ)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(chǔ)氣庫的含水構(gòu)造、枯竭油氣藏等合適的地質(zhì)構(gòu)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(shè)大規(guī)模地下鹽穴儲(chǔ)氣庫成為我國的必然選擇。3.國內(nèi)外地下儲(chǔ)氣庫建設(shè)概況利用深部鹽礦水溶開采形成的地下空間進(jìn)行油氣儲(chǔ)備已成為國際上首選的能源儲(chǔ)備方式。美國、德國、加拿大、法國等西方發(fā)達(dá)國家都已建成大量的大規(guī)模鹽巖地下油氣儲(chǔ)庫群，用于國家能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2009年年底，全世界已建成74座鹽穴儲(chǔ)氣庫并投入運(yùn)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(yīng)安全，國際上天然氣儲(chǔ)備占總消費(fèi)量的比重一般在10%左右，有的國家或地區(qū)達(dá)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(fèi)量10%～15%（即2020年300億～450億m3）的天然氣儲(chǔ)備，以確保天然氣供應(yīng)安全，而目前中國的天然氣儲(chǔ)備僅為消費(fèi)量的3%左右（鐘晶晶，2010），遠(yuǎn)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(chǔ)備概況如下：中國的地下儲(chǔ)氣庫建設(shè)起步較晚，20世紀(jì)70年代在大慶油田曾進(jìn)行過利用枯竭氣藏建設(shè)儲(chǔ)氣庫的嘗試。真正開始研究地下儲(chǔ)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(shè)，才開始研究建設(shè)地下儲(chǔ)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(gè)地下儲(chǔ)氣庫，即大張坨地下儲(chǔ)氣庫、板876地下儲(chǔ)氣庫和板中北儲(chǔ)氣庫，這三個(gè)儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)氣庫已經(jīng)成為天然氣消費(fèi)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(gè)省、自治區(qū)、直轄市，全長約4000km，設(shè)計(jì)年輸氣量達(dá)120億m3，現(xiàn)正在進(jìn)行的增輸工程達(dá)到170億m3。為確保西氣東輸工程的順利實(shí)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(shè)地下儲(chǔ)氣庫，其工作用氣量規(guī)模占總設(shè)計(jì)的85%以上（龐維龍、屈丹安，2008），地下儲(chǔ)氣庫已于2006年陸續(xù)投入使用。另外，中國石油天然氣集團(tuán)公司（簡稱中石油）在湖北應(yīng)城和河南平頂山也正在籌建天然氣儲(chǔ)氣庫，并已經(jīng)通過了國家層面的可行性論證。中石油計(jì)劃在2011～2015年修建10座儲(chǔ)氣庫，總庫容達(dá)到224億m3，分布在氣源所在地和消費(fèi)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(xiàng)目建成后，國內(nèi)儲(chǔ)氣規(guī)模將占天然氣總銷量的8%～10%（王秀強(qiáng)，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(shè)地下儲(chǔ)氣庫。同時(shí)，川氣東送管線長江下游的金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫也馬上投入建設(shè)，以確保川氣東送工程的供氣安全?？梢?，在鹽巖地層中實(shí)施油氣地下儲(chǔ)備已成為我國能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備的重點(diǎn)部署方向，鹽巖地下儲(chǔ)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(chǔ)氣（油）儲(chǔ)庫建設(shè)的高峰。1.2 夾層對儲(chǔ)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(shí)踐表明，單井油墊對流法水溶開采是一種先進(jìn)的開采工藝，在鹽穴儲(chǔ)氣庫腔體形態(tài)控制方面具有許多突出優(yōu)點(diǎn)：（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(chǔ)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(shí)間，以形成橫向尺寸適當(dāng)?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(shí)可以達(dá)到預(yù)留一定的腔頂鹽巖保護(hù)層的目的。以上優(yōu)點(diǎn)均有利于保證鹽穴儲(chǔ)氣庫建成后的安全性，是其他水溶開采方式所不能達(dá)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(shù)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(kuò)大；適時(shí)調(diào)整造腔內(nèi)管和造腔外管的深度，并根據(jù)實(shí)際情況采用正循環(huán)或反循環(huán)方式，以達(dá)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(chǔ)庫腔體形狀。國外用于地下儲(chǔ)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(chǔ)庫形狀，且儲(chǔ)氣能力較大，如德國的鹽穴儲(chǔ)氣庫，其單腔直徑為50～80m；高度為100～300m，最高達(dá)550m；單庫容積一般大于30萬m3。我國在建或擬建鹽穴儲(chǔ)氣庫的場址均為多夾層鹽巖礦床，其基本特點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致腔體內(nèi)流場紊亂，腔體形狀很難控制，形態(tài)失控嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致腔體報(bào)廢。

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《鹽穴儲(chǔ)氣庫造腔控制與安全評估》由科學(xué)出版社有限責(zé)任公司出版。

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