层状盐岩地下油气储库中夹层面渗透性的理论与试验研究

层状盐岩地下油气储库中盐岩-泥岩交界面的渗透性研究是关系到地下油气储库可储性及环境安全的关键课题。本项目以湖北云应盐矿区大型地下油气储库群建设工程为依托，利用研制的低渗透介质温度-应力-渗流耦合三轴仪对盐岩试样、泥岩试样和含盐岩-泥岩原生界面试样进行不同应力、不同温度下的渗透性试验，研究应力、温度对试样渗透率的影响规律，应用光学显微镜和扫描电镜对盐岩、泥岩及界面试样试验前后的微结构开展研究，揭示应力、温度对试样渗透性的影响机理；依据试验成果，结合弹塑性力学、损伤力学和渗流力学，建立应力、温度及渗透耦合条件下盐岩、泥岩以及盐岩-泥岩界面的渗透率演化模型；在此基础上，提出数值计算中盐岩-泥岩界面的模拟方法，建立能源地下储库油气渗透的分析模型；最后，对依托工程进行数值仿真分析，研究层状盐岩地下储库中油气的渗透迁移路径及渗透影响范围，揭示渗透灾害演化规律，对地下能源储库油气储备安全进行评估。

我国盐岩地下能源储库储层具有独特的“盐层薄、夹层多”的特点，其盐岩-泥岩交界面在渗透特性、渗透理论方面均没有经验可以借鉴。本项目依托地下盐岩储库工程，对盐岩、泥岩及交界面的渗透特性进行了试验研究、渗透率演化模型研究，编制了相应的数值仿真程序并开展了储库渗透稳定性分析，取得了如下研究成果：.（1）.渗透性试验及力学试验研究。通过自行研制的温度-应力-渗流耦合的低渗透设备，利用气体稳态渗透方法研究了盐岩、泥岩及交界面的渗透率，研究结果表明：致密岩石中气体渗透的Klinkenberg效应显著，不能忽略；静水压力增大，渗透率降低，其降低趋势是开始压缩阶段降低速率较快，随后降低速率越来越小；温度升高，岩石弹性模量降低，岩石被压缩得更加致密，渗透率降低较为明显，从15度升高至40度即会降低一个量级。盐岩蠕变试验结果表明流变速率随应力水平的提高而增加，在11 MPa的单轴条件下的宏观尺度稳定流变速率在 10-9 s-1 左右，而细观流变速率与其对应的结构紧密相关；流变过程中，裂纹的扩展引起的损伤被准确定位，他们主要在晶粒与晶粒之间，且主要属于张拉破坏。.（2）.渗透率演化模型研究。依据随机裂隙模型，研究了渗透系数的尺寸效应和各向异性；建立了基于统计理论和逾渗理论的圆盘裂隙模型，该模型可以较好地模拟致密岩石扩容和压密过程中渗透率演化特征；考虑夹层和盐岩层之间存在地质界面，采用以节点位移和孔隙压力为自由度的界面单元来模拟水力损伤造成的地层界面的开裂、扩展和流体渗漏，并基于多孔介质流-固耦合理论，建立了含夹层盐岩双重介质耦合损伤模型，为储库渗透安全性评价数值仿真提供基础。.（3）.盐岩储库渗透安全性评价。结合金坛储气库建设，数值仿真了储气库在注–采气不同循环压力作用下 5年内围岩气体压力分布；研究了软弱夹层与盐岩的层理面渗透系数、采气速率和腔体群不同时注–采气等工况对储库围岩气体压力分布的影响。研究结果表明：层理面渗透系数对储气库压力分布有着至关重要的影响，溶腔群的采气速率和注–采方法对相邻矿柱的气体压力分布影响明显。研究成果为储库运行参数设计提供参考。