專利名稱：倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫及其建造方法
技術領域：
本發(fā)明屬于油氣資源開發(fā)領域，具體地，涉及一種倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫及其建造方法。
背景技術：
現(xiàn)場工程經(jīng)驗和已有的研究結果表明合理設計鹽穴儲氣庫形狀可以有效降低鹽穴體積收縮率和腔壁變形量，提高其穩(wěn)定安全性。由于鹽穴儲氣庫形狀的設計涉及到很多問題，例如地質(zhì)力學理論、鹽巖強度、蠕變特性和鹽穴失效判別準則等，因此鹽穴形狀設計一直成為鹽穴儲氣庫建造中的難點問題之一。很多學者對相關問題進行了研究，例如Dennis對加拿大Alberta地區(qū)地下鹽穴儲氣庫形狀進行了研究，建立了地下鹽穴儲氣庫形狀計算模型，他認為地下鹽穴儲氣庫設計成橢球形更有利于鹽穴的穩(wěn)定性、能夠降低其體積收縮率。在該模型中，他并未給出將鹽穴設計成橢球形的力學機理，亦未對鹽穴形狀和尺寸進行優(yōu)化。王保群等通過對比分析，研究了橢球體形和梨形鹽穴儲氣庫在長期蠕變工作條件下的腔壁最大位移、塑性區(qū)體積和合理礦柱寬度等，認為橢球體形鹽穴具有優(yōu)勢，并且推薦橢球體長軸和短軸之比為7/3。Cristescu和Paraschiv通過將連續(xù)巖體中的地下空間結構簡化為平面應變問題,研究了矩形空間結構倒圓角半徑、長寬比對矩形洞穴穩(wěn)定性的影響，優(yōu)化出矩形洞穴尺寸。通過上面的分析，現(xiàn)階段對于鹽穴儲氣庫形狀設計方面存在以下2個方面的缺
占-
^ \\\ (I)、地下鹽穴儲氣庫形狀設計的力學機理不明確，未對鹽穴形狀設計參數(shù)進行優(yōu)化設計；(2)、設計方法比較單一，主要以數(shù)值模擬計算為主，缺乏理論依據(jù)。上述原因造成了采用已有的設計方法對鹽穴儲氣庫形狀進行設計具有比較明顯的局限性，給地下鹽穴儲氣庫帶來安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫及其建造方法。將地下鹽穴儲氣庫設計分為下部結構和上部結構兩部分進行設計，通過引入邊坡失穩(wěn)和壓力拱概念，解決地下鹽穴儲氣庫形狀設計中的難題。本發(fā)明的技術方案如下一種倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫，包括完井管柱、注采管柱、中心管柱、水泥環(huán)、鹽穴；完井管柱從地面深入到鹽穴并與鹽穴頂部相連，完井管柱與地層采用水泥環(huán)連接；注采管柱位于完井管柱中并采用封隔器與完井管柱底部相連；中心管柱位于注采管柱中，在地面位置處懸掛在井口裝置上；其特征在于鹽穴為倒鴨梨形狀，鹽穴頂部為圓形平面，中部為拋物面和球面的組合面，鹽穴底部為圓形平面；鹽穴頂部的圓形平面與拋物面相連，拋物面底部與球面頂部相連，球面下部與鹽穴底部圓面相連。
優(yōu)選地，頂部的圓形平面與拋物面相割。優(yōu)選地,頂部圓形平面的圓心與底部圓形平面的圓心在同一鉛直軸線上。優(yōu)選地，頂部圓形平面直徑為3-5倍完井管柱直徑，完井管柱中心與頂部圓形平面圓心重合。優(yōu)選地，球面與底部的圓形平面相切。一種倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫建造方法，其特征在于包括如下步驟(I)、鹽穴高度確定根據(jù)鹽穴所在鹽巖地層厚度和設計運行壓力確定出鹽穴整體 高度、鹽穴上部結構高度、鹽穴下部結構高度和鹽穴最大跨度；(2)、鹽穴下部結構尺寸確定根據(jù)鹽穴下部結構高度和鹽穴最大跨度，確定出鹽穴下部坡底寬度、下部腔壁臨界滑動面半徑；(3)、鹽穴底部圓面尺寸確定根據(jù)鹽穴下部坡底寬度和鹽穴最大跨度，得到鹽穴底部圓面直徑；(4)、鹽穴上部結構尺寸確定根據(jù)鹽穴上部結構高度和鹽穴最大跨度，確定鹽穴上部結構形狀和尺寸；(5)、鹽穴頂部圓面尺寸確定根據(jù)完井管柱尺寸，鹽穴頂部圓面尺寸取為3-5倍完井管柱外徑；￠)、鹽穴頂部和底部預留鹽巖層厚度確定根據(jù)密封性和穩(wěn)定性要求，確定出鹽穴頂部和底部預留鹽巖層厚度，然后鉆井至底部預留鹽巖層厚度之上；(7)、管柱選擇造腔管柱為雙管組合管柱，包括中心管柱和注采管柱；(8)、腔體形狀控制采用正循環(huán)方法進行造腔，并將整個鹽穴按照設計尺寸劃分為不同溶解區(qū)域，逐級進行溶解，直至達到設計尺寸。優(yōu)選地，采用聲納測腔技術對每個溶解區(qū)域溶解完成后的腔體形狀進行監(jiān)測，當與設計值出現(xiàn)偏差時通過調(diào)整雙管組合管柱位置、加入阻溶劑或調(diào)整注入淡水速度方法進行校正。優(yōu)選地，調(diào)整組合管柱位置方法包括中心管柱和注采管柱同時移動、保持中心管柱位置不變移動注采管柱、保持注采管柱位置不動移動中心管柱、移動阻溶劑面位置；中心管柱截面積與中心管柱和注采管柱間環(huán)空面積之比為I. I 3. 7。優(yōu)選地，溶漓造腔過程中，在尚未達到前一個設計的溶解區(qū)域的溶解半徑時，就要開始溶漓后一個溶解區(qū)域。優(yōu)選地，阻溶劑采用油基或氣態(tài)阻溶劑；油基阻溶劑采用柴油、煤油或重質(zhì)直餾石腦油；氣態(tài)阻溶劑采用空氣或氮氣。本發(fā)明適用于鹽丘型和層狀型鹽巖礦藏，可以用于單個和多個鹽穴儲氣庫設計；鹽穴儲氣庫設計過程簡單，力學機理明確，室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬計算已經(jīng)驗證本發(fā)明的鹽穴儲氣庫具有較高的穩(wěn)定性和較強抵御變形能力，提供了一種倒鴨梨形鹽穴儲氣庫。


圖I是一種倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫截面圖；圖2是一種倒鴨梨形鹽穴示意圖；圖中1、地面，2、上覆泥巖地層，3、水泥環(huán)，4、完井管柱，5、注米管柱，6、封隔器，7、中心管柱，8、鹽穴，81、頂部圓面，82、拋物面，83、球面，84、底部圓面，9、鹽巖地層，10、底部
泥巖地層。
具體實施例方式如圖I所示一種倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫，包括完井管柱4、注采管柱5、中心管柱
7、水泥環(huán)3、鹽穴8 ;完井管柱從地面I深入到鹽穴并與鹽穴頂部相連，完井管柱與地層采用水泥環(huán)連接；注采管柱位于完井管柱中并采用封隔器6與完井管柱底部相連；中心管柱7位于注采管柱中，在地面位置處懸掛在井口裝置上；鹽穴為倒鴨梨形狀，鹽穴頂部為圓形平面，中部為拋物面和球面的組合面，鹽穴底部為圓形平面；鹽穴頂部的圓形平面與拋物面相連，拋物面底部與球面頂部相連，球面下部與鹽穴底部圓面相連。鹽穴所在的目標鹽巖地層9上界面距離地面I的平均距離為1000m，該段地層為上 覆泥巖地層2。鹽巖層平均厚度約為140m ；目標鹽巖地層以下為底部泥巖地層10 ;鹽穴儲氣庫設計的最大運行壓力為17MPa，最小運行壓力為5MPa ;完井管柱和注采管柱在頂部圓面81以上50cm位置處通過封隔器6連接。鹽穴由頂部圓面81、拋物面82、球面83和底部圓面84組成，頂部圓面與拋物面上部相連,拋物面下部與球面上部相連,球面下部與底部圓面相連。頂部圓面直徑為5倍完井管柱直徑，即1222. 5mm，為了施工方便取為I. 2m ;完井管柱中心與圓面圓心重合。如圖2所示，倒鴨梨形鹽穴儲氣庫截面尺寸為頂部圓面直徑為I. 2m;以鹽穴頂部中心為坐標原點建立坐標系，拋物線方程為I = x2/52. 99，拋物線與頂部圓面交點坐標為(0. 6m, 0m)，頂部結構高度為24. 48m ;圓弧半徑為142. 6m,圓心坐標為(-106. 6m, -90m)，鹽穴下部結構高度為90m，底部圓面直徑為8m，鹽穴頂部最大跨度為72m，鹽穴總高度為114. 48m，該鹽穴儲氣庫總體積為262310m3。如圖I所示，一種倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫建造過程如下(I)、鹽穴高度確定鹽穴儲氣庫設計的最大運行壓力為17MPa，最小運行壓力為5MPa;為了滿足鹽穴儲氣庫密封性能要求，鹽穴儲氣庫上部和下部預留鹽巖厚度均需要不小于IOm ;考慮到鹽巖層平均厚度約為140m，因此鹽穴儲氣庫整體高度應該控制在120m以內(nèi)。(2)、鹽穴下部結構尺寸確定通過引入邊坡失穩(wěn)計算理論可以得到鹽穴儲氣庫下部結構高度為90m、坡底寬度為32m、上部結構高度為24. 48m、頂跨為72m、滑坡半徑為142. 6m。(3)、鹽穴底部圓面尺寸確定底部圓面半徑為半跨(36m)與坡底寬度(32m)之差，則可以得到底部圓面直徑為Sm。(4)、鹽穴上部結構尺寸確定通過引入壓力拱理論，并結合上述尺寸可以得到鹽穴上部結構拋物面方程為I = x2/52. 99，跨度為72m、頂跨高24. 48m。(5)、鹽穴頂部圓面尺寸確定頂部圓面尺寸取為5倍完井管柱直徑，即1222. 5mm,為了施工方便取為I. 2m。(6)、鹽穴頂部和底部預留鹽巖層厚度確定該鹽穴儲氣庫設計的最大運行壓力為17MPa、最小運行壓力為5MPa，為了滿足密封性要求鹽穴頂部和底部預留鹽巖厚度均不小于IOm ;鉆井至1125m位置處，安裝完井管柱、注采管柱、中心管柱；注采管柱為天然氣注入和采出用的，位于完井管柱中，且兩個管柱同心；中心管柱位于在注采管柱中，用于注入淡水或者采出鹵水。(7)、管柱選擇該鹽穴儲氣庫在造腔過程中采用一口井眼造一個鹽穴的方式造腔；造腔管柱為雙管組合管柱，包括中心管柱和注采管柱；中心管柱截面積與中心管柱和注采管柱間環(huán)空面積之比為3. 4，在I. I 3. 7之間；(8)、腔體形狀控制采用正循環(huán)方法進行溶漓造腔，即淡水從中心管柱柱注入到鹽穴底部，鹵水通過鹽穴頂部的注采管柱和中心管柱柱間的環(huán)空排出；將鹽穴劃分為7個溶解區(qū)域進行分級 溶解。根據(jù)鹽穴設計高度為114.48m(90m+24.8m)，可以得到每個溶解區(qū)域高度為16. 35m ;從下部向上依次對各個溶解區(qū)域進行溶解，當?shù)谝蝗芙鈪^(qū)域溶解范圍達到設計直徑的85%時開始對第二溶解區(qū)域進行溶解，第一溶解區(qū)域溶解完成后采用聲納測腔技術進行監(jiān)測；當于設計值出現(xiàn)誤差時采用中心管柱和注采管柱同時移動、保持中心管柱位置不變移動注采管柱、保持注采管柱位置不動移動中心管柱、移動阻溶劑面位置、加入阻溶劑或者調(diào)整注入淡水速度等方法進行校正；依次類推進行第二至第七溶解區(qū)域進行溶解，直到達到設計的溶腔形狀和尺寸。至此，一種倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫建造完成，該倒鴨梨鹽穴儲氣庫在鹽穴上部結構中引入壓力拱模型可以有效抵御上部結構變形，下部結構中引入邊坡失穩(wěn)模型可以降低鹽穴腔壁發(fā)生片幫、失穩(wěn)的可能性；同時，倒鴨梨形鹽穴儲氣庫不增加造腔難度和造腔時間，不顯著增加成本。
權利要求
1.一種倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫，包括完井管柱、注采管柱、中心管柱、水泥環(huán)、鹽穴；完井管柱從地面深入到鹽穴并與鹽穴頂部相連，完井管柱與地層采用水泥環(huán)連接；注采管柱位于完井管柱中并采用封隔器與完井管柱底部相連；中心管柱位于注采管柱中，在地面位置處懸掛在井口裝置上；其特征在于鹽穴為倒鴨梨形狀，鹽穴頂部為圓形平面，中部為拋物面和球面的組合面，鹽穴底部為圓形平面；鹽穴頂部的圓形平面與拋物面相連，拋物面底部與球面頂部相連，球面下部與鹽穴底部圓面相連。
2.根據(jù)權利要求I所述的倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫，其特征在于頂部的圓形平面與拋物面相割。
3.根據(jù)權利要求1-2所述的倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫，其特征在于頂部圓形平面的圓心與底部圓形平面的圓心在同一鉛直軸線上。
4.根據(jù)權利要求1-3所述的倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫，其特征在于頂部圓形平面直徑為3-5倍完井管柱直徑，完井管柱中心與頂部圓形平面圓心重合。
5.根據(jù)權利要求1-4所述的倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫，其特征在于球面與底部的圓形平面相切。
6.一種倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫建造方法，其特征在于包括如下步驟 (1)、鹽穴高度確定根據(jù)鹽穴所在鹽巖地層厚度和設計運行壓力確定出鹽穴整體高度、鹽穴上部結構高度、鹽穴下部結構高度和鹽穴最大跨度； (2)、鹽穴下部結構尺寸確定根據(jù)鹽穴下部結構高度和鹽穴最大跨度，確定出鹽穴下部坡底寬度、下部腔壁臨界滑動面半徑； (3)、鹽穴底部圓面尺寸確定根據(jù)鹽穴下部坡底寬度和鹽穴最大跨度，得到鹽穴底部圓面直徑； (4)、鹽穴上部結構尺寸確定根據(jù)鹽穴上部結構高度和鹽穴最大跨度，確定鹽穴上部結構形狀和尺寸； (5)、鹽穴頂部圓面尺寸確定根據(jù)完井管柱尺寸，鹽穴頂部圓面尺寸取為3-5倍完井管柱外徑； (6)、鹽穴頂部和底部預留鹽巖層厚度確定根據(jù)密封性和穩(wěn)定性要求，確定出鹽穴頂部和底部預留鹽巖層厚度，然后鉆井至底部預留鹽巖層厚度之上； (7)、管柱選擇造腔管柱為雙管組合管柱，包括中心管柱和注采管柱； (8)、腔體形狀控制采用正循環(huán)方法進行造腔，并將整個鹽穴按照設計尺寸劃分為不同溶解區(qū)域，逐級進行溶解，直至達到設計尺寸。
7.根據(jù)權利要求6所述的倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫建造方法，其特征在于采用聲納測腔技術對每個溶解區(qū)域溶解完成后的腔體形狀進行監(jiān)測，當與設計值出現(xiàn)偏差時通過調(diào)整雙管組合管柱位置、加入阻溶劑或調(diào)整注入淡水速度方法進行校正。
8.根據(jù)權利要求6-7所述的倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫建造方法，其特征在于調(diào)整組合管柱位置方法包括中心管柱和注采管柱同時移動、保持中心管柱位置不變移動注采管柱、保持注采管柱位置不動移動中心管柱、移動阻溶劑面位置；中心管柱截面積與中心管柱和注采管柱間環(huán)空面積之比為I. I 3. 7。
9.根據(jù)權利要求6-8所述的倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫建造方法，其特征在于溶漓造腔過程中，在尚未達到前一個設計的溶解區(qū)域的溶解半徑時，就要開始溶漓后一個溶解區(qū)域。
10.根據(jù)權利要求6-9所述的倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫建造方法，其特征在于阻溶劑采用油基或氣態(tài)阻溶劑；油基阻溶劑采用柴油、煤油或重質(zhì)直餾石腦油；氣態(tài)阻溶劑采用空氣或氮氣。
全文摘要
本發(fā)明屬于油氣資源開發(fā)領域，具體地，涉及倒鴨梨形地下鹽穴儲氣庫及其建造方法。鹽穴儲氣庫包括完井管柱、注采管柱、中心管柱、水泥環(huán)、鹽穴；完井管柱從地面深入到鹽穴并與鹽穴頂部相連；注采管柱位于完井管柱中并采用封隔器與完井管柱底部相連；中心管柱位于注采管柱中并懸掛在井口裝置上。鹽穴為倒鴨梨形狀，頂部為圓形平面，中部為拋物面和球面的組合面，底部為圓形平面。鹽穴建造方法包括高度確定、下部結構尺寸確定、底部圓面尺寸確定、上部結構尺寸確定、頂部圓面尺寸確定、頂部和底部預留鹽巖層厚度確定、管柱選擇、腔體形狀控制。本發(fā)明的鹽穴儲氣庫設計過程簡單，力學機理明確；不增加造腔難度和造腔時間，不顯著增加成本。
文檔編號E21F17/16GK102720538SQ20121023294
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月6日 優(yōu)先權日2012年7月6日
發(fā)明者姜婷婷, 楊秀娟, 王同濤, 閆怡飛, 閆相禎 申請人:中國石油大學(華東)