地下盐穴储气库最小设计运行压力确定方法

摘要

本发明属于油气资源开发领域，具体地，涉及一种地下盐穴储气库最小设计压力确定方法。该方法包括以下步骤：盐岩试样制作、盐岩强度确定、地应力确定、安全系数确定、最小设计运行压力确定。盐岩试样为细长圆柱形，盐岩试样高度与直径之比不小于2；盐岩试样长度不大于200mm，直径不大于80mm，表面粗糙度不大于0.2mm，椭圆度不大于2％；三轴压缩和拉伸破坏试验次数均不得少于6次；试验过程中加载方式为多级加载，每级载荷加载时间不少于2小时；试验过程中围压采用液压施加，液压油为矿物油、合成烃或生物基油。本发明明确了地下盐穴储气库最小设计运行压力确定方法和步骤，具有很强的工程适用价值和现场可操作性。

说明书

技术领域

本发明属于油气资源开发领域，具体地，涉及地下盐穴储气库最小设计运 行压力确定方法。

背景技术

为了保证盐穴储气库调峰能力和提高垫气的利用效率，在盐穴储气库运行 过程中需要尽量降低运行压力，使得盐穴储气库围岩受到的剪应力增加，可能 导致盐穴顶部和腔壁发生坍塌破坏。因此，合理确定盐穴储气库最小设计运行 压力对保证储气库安全、提高调峰能力具有重要意义。

现阶段对于盐穴最小运行压力确定方法主要采用经验法，美国学者Michael Bruno建议该值取为最高运行压力的1/6～1/2。可以看出该值变化范围较大、 受人为因素影响较为显著。同时，该方法在确定最小运行压力时缺乏明确的理 论依据，给盐穴储气库实际运行安全带来隐患。

本发明专利从盐岩三轴抗拉和抗压破坏强度入手，给出地下盐穴储气库最 小设计运行压力确定方法，精确量化最小运行压力值范围，明确最小运行压力 设计的力学原理。该方法步骤简单、在实际设计中易于操作，对于保障我国地 下盐穴储气库设计和运行安全具有很好的工程应用价值。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种地下盐穴储气库 最小设计运行压力确定方法，精确量化最小运行压力值范围，明确最小运行压 力设计的力学原理，解决地下盐穴储气库最小运行压力确定过程中的难题。

本发明的技术方案如下：

一种地下盐穴储气库最小设计运行压力确定方法，其特征在于包括如下步 骤：

(1)、利用所取盐岩样本，制作成实验所需要的盐岩试样；

(2)、利用制作的盐岩试样，进行三轴压缩试验确定盐岩的三轴压缩破坏强 度，进行三轴拉伸试验确定盐岩的三轴拉伸破坏强度；

(3)、根据盐岩地层分布特征、地质参数和数学方法，确定盐穴储气库所在 目标盐岩地层的三维地应力大小；

(4)、根据盐岩破坏强度和地应力，计算得到不同内压时盐穴不同位置处的 围岩安全系数，并将安全系数按照从小到大排序；

(5)、当最小安全系数大于1且对应模拟计算内压最小时，采用线性插值法 得到最小安全系数等于1时对应的内压即为盐穴最小临界内压；为了保证盐穴 实际运行安全将最小临界内压乘以设计安全系数即得到地下盐穴储气库最小设 计运行压力。

优选地，盐岩试样为细长圆柱形，盐岩试样高度与直径之比不小于2。

优选地，盐岩试样长度不大于200mm，直径不大于80mm，表面粗糙度不大 于0.2mm，椭圆度不大于2％。

优选地，三轴压缩和拉伸破坏试验次数均不得少于6次；试验过程中加载 方式为多级加载，每级载荷加载时间不少于2小时。

优选地，试验过程中围压采用液压施加，液压油为矿物油、合成烃或生物 基油。

优选地，原始地应力获取方法包括声波测井、地震测井和水压致裂法、声 发射Kaiser效应法、应力解除法、原位地应力测量、扁千斤顶法、应变恢复法 或钻孔崩落法。

优选地，安全系数校核位置在盐穴顶部；安全系数计算参考点分布在通过 完井管柱中心点的直线上，第一个计算点距离完井管柱外径水平距离为20cm位 置处，以后每相邻两个计算点间的水平距离不大于1m。

优选地，设计安全系数取为1.2～1.5。

优选地，盐岩为盐丘型盐岩或多夹层型盐岩。

本发明给出了地下盐穴储气库最小设计运行压力确定方法，精确确定了最 小设计运行压力，具有步骤简单、力学机理明确等优点；本发明专利克服了人 为因素的影响，使得最小设计运行压力的确定可操作性强、能够进行工业化设 计和推广；本发明具有很强的工程使用价值，不显著增加设计成本。

具体实施方式

某拟建盐穴储气库所在目标盐岩层埋深为1000～1255m，盐岩层中含有众多 夹层，夹层成分主要为硬石膏、泥岩和钙芒硝。下面以其中某一个盐穴储气库 为例说明地下盐穴储气库最小设计运行压力确定方法。

地下盐穴储气库最小设计运行压力确定方法具体步骤包括：

(1)、盐岩试样制作：根据现场钻井取芯得到盐穴储气库目标盐岩地层中的 盐岩样本，为了避免试件在加工过程中水对盐岩结构的破坏，采用干式锯磨法 进行标准试件的加工；先将岩样手工据成长度符合实验要求的段，然后用车床 加工，每次采用很小的进刀量；采用上述加工方法，按照《水利水电工程岩石 实验规程-2002》中的要求将12段岩样加工成符合实验要求标准的试样，试样 特征参数如表1所示；由表1中的数据可知：试件最大长度为162.58mm，最大 直径为79.32mm，试件表面粗糙度最大值为0.2mm，椭圆度最大值为1.9％。

表1圆柱形标准试样特征参数

(2)、盐岩强度确定：将盐岩试样放入到MTS815 Flex Test GT实验机上对 盐岩试样进行三轴压缩和拉伸试验。对三轴压缩和拉伸试验各进行6组实验， 每组实验均采用5级加载，每次加载完成后保持载荷不变时间为3小时，然后 进入下一次加载；将得到盐岩试样破坏载荷进行加权取平均值得到盐岩试样三 轴压缩和拉伸破坏强度的平均值，见表2；本次试验中液压油为柴油。

表2圆柱形标准试样特征破坏强度

  试样编号   三轴压缩/MPa   试样编号   三轴拉伸/MPa   1   50.64   7   36.11   2   48.15   8   35.23   3   54.63   9   38.96   4   51.15   10   35.47   5   52.47   11   39.41   6   54.32   12   38.73   平均值   51.89   平均值   37.32

(3)、地应力确定：利用现场水压致裂法得到盐穴所处在目标盐岩层的三维 地应力，其中最大水平主应力为22.4MPa，最小水平主应力为13.8MPa，垂直地 应力为19.2MPa。

(4)、安全系数确定：根据上述实验得到的盐岩破坏强度和地应力，分别计 算得到内压为0、2、3、4、5、6MPa时盐穴顶部安全系数见表3。其中第一个 计算点距离完井管柱外壁水平井距离为0.2m，其他计算点与第一计算点均在一 条直线上且该直线通过完井管柱中心，相邻两个计算点的距离均为1m。同时，

表3中将计算得到的安全系数按照从小到大进行排序。

表3某设计盐穴储气库不同内压作用下顶部安全系数

(5)、最小设计运行压力确定：从表3中的计算结果可以看出当模拟计算内 压为3、4、5、6MPa时，计算得到盐穴顶部不同位置处的安全系数均大于1。此 时，对应最小模拟计算内压为3MPa，因此选择内压为3MPa作为计算基准。从表 中计算结果还可以发现当内压为3MPa时，距离完井管柱外径0.2m处安全系数 最小，因此选择该点作为线性插值的计算基准点。因为内压取为3MPa时，此时 最小安全系数为1.13，需要通过线性插值法计算得到安全系数为1时对应的内 压值，此时的内压即为盐穴储气库最小临界内压。则可以计算得到盐穴储气库 最小临界内压为：3÷1.13×1.0≈2.65MPa。为了保证盐穴储气库运行安全，设 计安全系数取为1.5，可以得到该盐穴储气库最小设计运行压力为：2.65× 1.5＝3.975MPa≈4MPa。

至此，可以得到该盐穴储气库最小设计运行压力为4MPa。通过上述实施例 可知，本发明可以精确的得到盐穴最小设计运行压力，具有操作步骤简单、受 到人为因素影响小、力学机理明确等优点。