盐岩渗透特性的试验研究及其在深部储气库中的应用

为给深部盐岩地层(≥1 500 m)中所建天然气储库的稳定性和密闭性评价提供科学指导,针对取自江苏金坛的不同杂质含量盐岩试样,在荷兰乌德勒支大学HPT实验室开展了在三轴压缩条件下的瞬态法渗透率测试研究,揭示盐岩的变形特征与渗透率演化规律.试验研究表明:在围压20 MPa的常温测试条件下,随着偏应力从0～40MPa递增,损伤后的低含泥盐岩的渗透率从10-16 m2逐渐下降至10-21 m2以下,而损伤后的高含泥盐岩的渗透率则平均高出前者1～2个量级,推测表明损伤后的盐岩在加载下裂纹闭合、孔隙减小、逐渐压缩密实,进而渗透率快速降低,同时也表明外载压密作用对纯盐岩的裂纹压缩闭合、甚至损伤修复作用更显著.根据试验成果,并利用H.Alkan等[11]建立的盐岩压缩-扩容边界线对位于1 500～2 000 m深部的盐岩地层中的球形腔体的围岩应力状态分析显示,围岩几乎都位于扩容边界以下的安全区域,由此推知:即使在储气库低压运行条件下,围岩中较难发生扩容而导致密闭性失效事件发生,腔体的密闭性能极好.该研究为深部盐穴储气库的可行性和密闭性评价提供有利支撑.     

金坛盐矿工程地质特性研究

在盐矿地层中建造地下油气储库群,是国际上广泛采用的能源储备方式。为了论证在金坛深部盐岩地层中建造大型储气库的可行性,针对金坛盐岩的区域地质构造特性和层状盐岩赋存特性,开展了相关物探和地质特性研究工作。研究结论如下:(1)金坛盐盆的沉积构造边界受周围几条断层控制,但这些断层如今已不活动,属于压性断层,密闭性较好;(2)区域内盐岩层主要分布于始新统阜宁组四段,呈盐岩与非盐夹层韵律分布,水平构造、向四周渐趋尖灭,厚度达68~231m,盐质较佳,储库潜力十分巨大;(3)盐层上覆盖层和下伏底板均为封闭性能较好的泥岩、石膏岩等致密岩层构成,有利于拟建储气库的密封性。综上可知:金坛盐盆的区域封闭性和稳定性极为良好,可作为储气库建造的较好备选场址。     

层状盐岩储气库物理力学特性与极限运行压力

分析研究层状盐岩中盐岩与夹层的孔隙率与渗透率,指出在未遭受变形破坏条件下,盐岩及其夹层本质致密,不会对储气库安全造成影响.但是,对盐岩与夹层的单轴和三轴力学特性、长期蠕变性进行实验研究与理论分析认为,盐岩与夹层间存在的力学特性差异及变形不协调,会造成2种岩性交界处的剪切破坏,影响储库安全性.在此基础上,提出层状盐岩储气库极限运行压力确定原则,包括顶板稳定、蠕变控制、腔体致密及裸井致密等,并结合实例进行分析研究.所得结果对我国层状盐岩中天然气储库的建造与运行具有一定指导意义及应用价值.     

层状盐岩溶腔储气库长期运行稳定性研究

针对我国盐岩矿床地质结构的典型特征:单层厚度薄、软弱夹层多,盐岩夹层对储气库的建造及稳定性具有很大影响,提出了层状盐岩溶腔储气库稳定性研究内容,并运用块裂介质固流耦合数值模拟方法对其影响作了进一步分析.主要结论如下:(1)层状盐岩矿床储气库建造中必然会受到高盐份泥岩夹层的影响.夹层的存在使腔体的稳定性减弱,延缓了腔体内流体的输运、对流扩散过程,增加了建腔的时间,盐岩与盐岩夹层由于蠕变率不同而造成损伤,形成裂隙气体渗漏.(2)高盐份泥岩夹层对储气库的稳定性影响很大,由弹塑性数值模拟可知,运行气压为8-24MPa,形状为椭球腔,且长短轴为7/4时结构最稳定.(3)盐岩夹层对储气库的渗透性具有一定影响.蠕变损伤在盐岩与夹层交接面处产生的裂隙是气体渗透的主通道,具有较强的导气能力,但渗透速度随着时间的延长而减小,最后达到稳定状态,且最外缘气体压力始终低于0.2MPa,从考虑气体渗透的角度,在层状盐岩矿床内建造储气库是可行的.所得结论可为我国薄盐岩矿床内建造储气库提供一定的参考依据.     

蠕变作用下层状盐岩界面剪切应力变化规律研究

层状盐岩储气库在长期运行期间,盐岩层与泥岩夹层两种不同岩石材料会因较大的蠕变差异引起变形不协调,在交界面产生剪切应力导致界面滑移破损,使油气沿着界面破损通道泄漏。结合我国在层状盐岩地质构造中建设能源储库的实际情况,通过对湖北云应地区层状盐岩中的盐岩和泥岩夹层的三轴蠕变试验表明,盐岩蠕变率比泥岩蠕变率至少大一个数量级。建立蠕变本构模型,对储库长期运行期内层状盐岩界面剪切应力的分布和变化规律进行数值分析,并讨论了盐岩稳态蠕变率不同时,界面层间剪切应力的变化情况。研究结果表明,界面层间剪切应力集中分布在靠近腔体的小段范围内,其后层间剪切应力迅速降低,且随着蠕变时间的增加,层间剪切应力增加的越来越快;盐岩的蠕变特性越好,层间剪切应力越大,当界面剪切应力达到界面抗剪强度时,就会发生破坏。蠕变试验和数值模拟结果,对于层状盐岩渗漏稳定性和密闭性研究具有重要指导意义。     

层状盐岩能源储库典型夹层渗透特性及其密闭性能研究

 夹层的渗透率是深部层状盐岩中能源储库密闭性评价的关键参数。针对我国深部层状盐岩中常见的3种典型夹层,采用稳态气测法测试了渗透率并给出密闭性分析结果。研究指出：(1) 3类典型夹层的低渗特征明显,渗透率均为10－2～10－5 mD;但各盐矿区的夹层岩性及地质条件差别较大,导致渗透率出现较明显差异,其中以平顶山硬石膏泥岩的渗透率最低、渗透率变化范围居中;金坛灰质泥岩渗透率次之、变化范围却最大;而淮安含盐泥岩渗透率最高、变化范围最小。(2) 静水压力对渗透率的影响极为显著,具体表现为静水压力越大渗透率越低;存在某一“压密临界压力”,当静水压力位于该值前渗透率随静水压力增大而急剧下降(下降1～2个数量级),超过该值后渗透率降低很小并渐趋于平缓;静水压力与渗透率基本满足 (K为渗透率;P为静水压力;A,B为拟合参数)的拟合关系。(3) 渗透率随静水压力变化的内在机制是测试岩心具有可压缩性,但压缩效果随压力增大逐渐减小,到一定程度后增加压力也无法使岩体进一步压密,从而导致渗透率渐趋于恒定。以上研究表明,中国层状盐岩的典型夹层均具有较低的渗透率,可基本满足能源储库的密闭性要求。     

盐岩渗透性影响因素研究综述

由于盐岩具有极低的渗透性（渗透率小于10-20 m2）,很多国家将盐岩作为能源（石油、天然气）和核废料储存库的首选岩体。发达国家利用盐岩建造能源储备库技术已经相当成熟,而国内尚处于研究阶段。盐岩力学特性和溶腔的稳定性研究已得到国内学者的广泛重视,而由于试验仪器精度的限制,对其渗透性的研究较少。为系统地研究盐岩的渗透性,通过总结众多国内外学者的学术观点,从内因和外因两个方面对盐岩渗透性进行分析。详细介绍盐岩的孔隙结构、孔隙率、Klinkenberg效应、毛细孔压力、应力状态等对其渗透性的影响。研究成果认为：盐岩的孔隙结构和低孔隙率是其低渗透性的根本原因,极小的孔隙半径导致在孔隙中产生很高的毛细孔压力,Klinkenberg效应、毛细管压力阻碍流体在盐岩孔隙中的运移和扩散。开挖扰动改变盐岩所受的应力状态,盐岩在偏应力作用下容易发生膨胀变形,破坏盐岩的孔隙结构,从而使渗透性显著增强。     

考虑流-固耦合的天然气盐岩储库渗流特性研究

根据我国油气储库多为层状盐岩的实际情况,基于流-固耦合分析理论,利用快速拉格朗日有限差分法对层状盐岩储库的渗流特性进行分析。研究了含夹层盐岩天然气储库流-固耦合效应,不同内压下的体积应变与围岩渗透率变化,围岩塑性区分布以及渗流量与渗透压力的变化规律。结果表明:渗透率与体积应变的关系可近似采用线性函数描述,体积应变增大时,盐岩内部空洞和裂隙扩大,使盐岩渗透率增大;在某个渗流压力(洞室内压)条件下,随着盐岩的流变变形,渗流量会趋于某一定值,渗流达到稳定状态。在天然气内压与围岩应力共同作用下,储库围岩塑性区扩展深度随着内压的增大而减小,研究结果对盐岩储气库的安全运行具有一定的指导作用。     

金坛层状盐岩的基本力学特性

拟在江苏金坛深部盐岩地层中开展战略能源储备建设工作。地层的力学特性是开展造腔方案设计、稳定性评价等的基础。基于此,针对所取层状盐岩系统开展了单轴、三轴、直剪和劈裂试验。通过试验研究表明:(1)金坛盐岩属于典型软岩,单轴仍以脆性劈裂为主,三轴压缩下强度大大提高,塑性变形能力大大增强,适合储气库的变形要求;(2)夹层的存在提高了盐岩强度,对盐岩具有加紧作用,有利于腔体稳定性;(3)界面的强度与盐岩和夹层相当,不是一个弱面,有利于维持储气库的稳定性和密闭性。研究结果为金坛储气库的建设提供了重要依据。     

湖北省云应地区盐岩溶腔型地下能源储库密闭性研究

着眼于我国深部盐岩能源地下储备可行性分析,针对湖北省云应盐矿盐岩层薄、富含不可溶或难溶夹层的沉积特点,开展该地区层状盐岩构造中能源储库密闭性综合研究。其一是层状盐岩体中盐岩–硬石膏界面力学特性室内试验研究,包括直剪试验、间接拉伸试验和界面微观分析试验。结果表明,层状盐岩体中盐岩–硬石膏界面具有较强的黏结力,不是一个弱面,这十分有利于盐岩溶腔的密闭性和稳定性。其二是现场盐岩层钻孔高压压水试验,对盐岩层渗透的规律性、盐岩的封闭性以及围岩的承载能力开展研究。综合层状盐岩室内和现场试验的成果表明:湖北省云应地区层状盐岩构造满足盐岩溶腔型地下能源储库的密闭性要求。     

含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变特性研究

含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变特性是油气储库稳定性的关键问题所在.通过对湖北应城含高盐份泥岩夹层的盐岩160天的单轴压缩蠕变实验研究,可知湖北应城含高盐份泥岩夹层的盐岩具有良好的蠕变特性,且纯盐岩蠕变应变高于泥岩夹层,横向应变大于泥岩夹层.根据试验结果,分析了含高盐份泥岩夹层的盐岩的蠕变曲线特征,建立了含高盐份泥岩夹层的盐岩的蠕变理论模型,获得了含高盐份泥岩夹层的盐岩的粘弹塑性本构方程,并拟合了参数,为我国含高盐份泥岩夹层的盐岩矿床油气储库的稳定性分析提供了依据.     

高温影响下花岗岩孔径分布的分形结构及模型

 温度是影响岩石物理性质的重要因素,为了探究温度对岩石孔径分布的影响规律,利用压汞法测试25 ℃～1 200 ℃高温热处理后花岗岩样品的孔隙特征,并研究了不同高温影响下岩石孔隙的分形结构和孔隙率演化模型。结果表明：(1) 随着温度的升高,岩石孔隙率呈指数增加,500 ℃～800 ℃是岩石孔隙结构变化的阈值温度区间,500 ℃之前孔隙率增长较缓慢,增长幅度约50%,之后孔隙率大幅增加3～5倍;(2) 温度升高所导致的岩石新孔隙以孔径1～10 μm的中孔为主,低于500 ℃时中孔占15%左右,而后稳步上升,800 ℃时大幅增加至28.24%,1 000 ℃以后又增至40%以上,体积增长了11.8倍,这将导致岩石防渗阻渗能力大大减弱;(3) 各温度下岩石孔隙分布均具有良好的统计分形特性,孔隙分形维数在2.99～3.00范围,随温度升高,分形维数降低,且温度越高,降低幅度越大,表明孔隙均匀性增加;(4) 基于理想Menger海绵的Friesen模型预测各孔径下累计孔隙率演化误差较大,而张季如和陶高梁模型对不同高温岩石孔径分布具有良好的预测精度。研究结果将为高放核废料深层地下存储、地热开发等高温岩石工程设计及施工提供科学依据。     

含夹层盐岩渗透特性及其细观结构特征

 由于盐岩具有极低渗透率,因此很多国家将盐岩作为能源和高放废物储存库的首选储库介质。选取湖北云应盐矿层状盐岩,对20个标准试样(f 25 mm×50 mm)进行渗透特性测试以及CT扫描试验。试验结果表明,盐岩的孔隙度普遍低于0.25%;且渗透率极低,为10－16～10－18 m2,从总体趋势上看,渗透率随着围压的增大而减小。进一步通过工业CT试验,揭示了盐岩极低渗透率在细观结构方面的原因。发现层状盐岩的细观结构极其致密,其中纯盐岩仅含少量微孔洞和微裂隙,而夹层几乎不存在缺陷,因此对气体渗透具有明显的屏蔽作用;且在围压和渗流作用下,盐岩因细观结构演化致使渗透性能发生较大改变,渗透率随围压的变化趋势与孔隙度变化趋势一致。     

盐岩中能源(石油和天然气)地下储存库稳定性评价标准研究

由于盐岩属于一类特殊的岩体，储存库的稳定性分析的评价标准与其他岩体有差别，在各国并没有统一的标准和设计规范，多数是用数值计算的方法来评价储存库的稳定性。主要做法是根据具体的储存库及其岩体力学特性，预先设置储存库稳定性的一些标准，然后对盐岩及其相关的岩石进行大量的试验研究，得到所需要的计算参数，最后通过数值计算来确定储存库的稳定性。系统地提出了盐岩中能源储存库的稳定性研究的内容和评判标准，这些标准归纳起来有3个方面，即：(1)储存库稳定性标准如不允许出现片邦，不允许出现蠕变破坏、安全矿柱和地面沉降控制准则；(2)储存库密封性标准如最大内压控制准则；(3)储存库可使用性标准如储存库体积收敛性。同时给出一个算例，以说明如何评价储存库的稳定性，并说明对储存库稳定性评判标准可以根据具体的情况做必要的修改。     

层状盐岩中裂纹扩展规律的细观实验研究

 层状盐岩力学行为的研究是地下盐岩储库建设的科学基础。借助可以进行原位加载下实时观测的SEM实验系统,对载荷作用下层状盐岩开裂破坏时的裂纹扩展规律进行研究,并从能量耗散及释放的角度探讨层状盐岩破坏的细观机制。观察发现,层状盐岩中岩盐与泥岩夹杂的细观结构有着较大差异,从而影响着盐岩的宏观力学行为。层状盐岩中裂纹扩展路径一般不是沿着岩盐与夹杂的界面,而是在岩盐或夹杂中扩展。且当裂纹在泥岩夹杂中扩展时,能量耗散明显,形成不规则的裂纹,其分形维数大于1,并有可能出现分叉,此时盐岩承载能力较弱,外载做功还较小时就会导致破坏;当裂纹在岩盐中扩展时,伴随较多的弹性能快速释放,形成较平直的裂纹,其分形维数近似为1,并有可能出现较大张开,此时盐岩承载能力较强,吸收外载做功的能量较高。     

泥岩夹层对盐岩变形和破损特征的影响分析

针对我国大多数盐矿的多层盐岩地质构造特征，对含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行单轴压缩和不同围压下三轴压缩试验研究，对比分析3种试样的变形和破坏特性。试验结果表明：泥岩夹层对盐岩体的变形和破坏特性有明显的影响，强度高于盐岩的泥岩夹层却先于盐岩出现横向拉伸破坏；此外还观察到应力-应变曲线的“应力跌落”现象。针对试验结果，利用Cosserat介质扩展理论对泥岩夹层的影响进行理论分析。分析结果表明，泥岩和盐岩力学特性上的不匹配导致二者界面附近泥岩体等效受到横向拉伸应力作用，这很好地解释试验结果，这一分析结果可对进一步进行层状盐岩体内油（气）储库洞室稳定性分析提供理论基础。