本發(fā)明涉及一種鹽穴儲氣庫腔體變形及地面沉降的預(yù)測及預(yù)警方法，屬于地下鹽穴儲氣庫建設(shè)運營過程中的安全評價分析。

背景技術(shù)：

1、天然氣是我國能源體系中重要的組成部分，天然氣的消耗量將不斷增大。為了保證天然氣的穩(wěn)定供應(yīng)，各種儲氣方式應(yīng)用而生，其中儲氣地下鹽穴儲氣庫儲氣是天然氣能源儲存的主要方式之一，也是我國基礎(chǔ)儲氣設(shè)施的重要組成部分。

2、地下鹽穴儲氣庫一般選址在較厚鹽巖層所在處，鹽巖孔隙率和滲透率低，并具有良好的蠕變特性，是良好的儲氣庫圍巖介質(zhì)。但因為其良好的蠕變特性，即使在較小的偏應(yīng)力作用下也會產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，導(dǎo)致腔周的鹽巖向內(nèi)流動，使得腔體產(chǎn)生收縮變形，從而造成地表沉降，當沉降幅度較大、甚或是地表塌陷時則會引發(fā)較為嚴重的事故，因此，對儲氣庫的腔體變形及地表沉降的預(yù)測以及預(yù)警于儲氣庫的穩(wěn)定運行及庫區(qū)安全評價而言具有重要指導(dǎo)意義。

3、目前，為了及時的掌握儲氣庫建設(shè)及運營的相關(guān)安全問題，主要采用鹽腔聲吶探測技術(shù)檢測腔體形態(tài)，以通過對比一定時間區(qū)間聲吶測腔的結(jié)果即得到腔體的形態(tài)變化；采用傳統(tǒng)的水準測量或insar、gps、psi等新興技術(shù)進行儲氣庫地面沉降的監(jiān)測；此外，根據(jù)儲庫區(qū)地質(zhì)資料、腔體資料、巖石力學(xué)參數(shù)進行的三維數(shù)值模擬對現(xiàn)行運行壓力下腔體的變形進行預(yù)測以指導(dǎo)實際工程，確定儲氣庫的運行壓力限值。

4、針對鹽穴儲氣庫腔體變形以及地面沉降的預(yù)測一般通過數(shù)值模擬計算得到，數(shù)值模擬分為建模和計算兩部分，數(shù)值模擬的計算結(jié)果是否準確，能否用于指導(dǎo)實際工程，關(guān)鍵在于數(shù)值模型的建立、計算方法的研究與選取以及計算參數(shù)的選取是否恰當。

5、現(xiàn)有的數(shù)值模擬的建模方案大多只能反映鹽穴腔體的近似形態(tài)，與腔體的實際形態(tài)還有較大的差距。

6、現(xiàn)有的數(shù)值模擬的計算方案中，不論采用abaqus、adagio、flac3d等何種數(shù)值計算軟件都需要用到鹽巖的力學(xué)參數(shù)，目前鹽巖力學(xué)參數(shù)一般由實驗室測量獲得，但對于我國多夾層狀鹽巖地層的特點來說，而實驗室試驗所得力學(xué)參數(shù)存在可能無法準確反映實際工程鹽層處的巖石力學(xué)性質(zhì)的問題；在鹽穴儲氣庫地表沉降理論預(yù)測時，通常運用影響函數(shù)法，其原理簡單、適用性強，但是運用中，針對其中的關(guān)鍵參數(shù)(體積傳遞系數(shù))的研究并不深入，目前，其取值還是采用經(jīng)驗值。

7、另一方面，地面沉降閾值設(shè)定的研究是鹽穴儲氣庫風險分析中關(guān)鍵部分之一，可直接運用于實際工程指導(dǎo)，對保障鹽穴儲氣庫的建設(shè)運營安全具有非常重要的意義，但目前關(guān)于鹽穴儲氣庫地表沉降的預(yù)警閾值的判據(jù)尚不明確。

8、此外，群腔相互影響下，現(xiàn)有技術(shù)難以準確計算地下鹽穴儲氣庫的地面沉降。

9、由于我國儲氣庫工程正處于迅速發(fā)展階段，其建設(shè)及運營期間的安全問題更應(yīng)得到關(guān)注。因此，亟需一種完整、準確的儲氣庫腔體變形及地面沉降的預(yù)測與預(yù)警方法，能用于現(xiàn)場指導(dǎo)，以保障儲氣庫的建設(shè)運營安全。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種鹽穴儲氣庫腔體變形及地面沉降的預(yù)測及預(yù)警方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中目前鹽巖力學(xué)參數(shù)一般由實驗室測量獲得，但對于我國多夾層狀鹽巖地層的特點來說，實驗室試驗所得蠕變參數(shù)存在可能無法準確反映實際工程鹽層處的巖石力學(xué)性質(zhì)的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案一種鹽穴儲氣庫腔體變形及地面沉降的預(yù)測及預(yù)警方法，包括如下步驟：

3、s1：開展儲氣庫現(xiàn)場蠕變參數(shù)反演試驗獲得鹽穴儲氣庫腔體工程實際的巖石力學(xué)參數(shù)；

4、s2：利用步驟s1得到的巖石力學(xué)參數(shù)構(gòu)建地面沉降預(yù)測模型，并應(yīng)用該模型進行地面沉降預(yù)測；

5、s3：確定地面沉降預(yù)警閾值并基于該閾值和s2中的地面沉降預(yù)測進行鹽穴儲氣庫腔體安全預(yù)警。

6、本發(fā)明通過開展儲氣庫現(xiàn)場蠕變參數(shù)反演試驗獲得工程實際的巖石力學(xué)參數(shù)，所獲得的力學(xué)參數(shù)與實際工程的巖石力學(xué)參數(shù)更接近，以保證準確地反映實際工程鹽層處的巖石力學(xué)性質(zhì)，從而使基于該力學(xué)參數(shù)建立的預(yù)測模型更可靠，從而更準確地進行地面沉降預(yù)測和預(yù)警。

7、進一步地，所述步驟s1中，通過開展儲氣庫現(xiàn)場蠕變參數(shù)反演試驗獲得與工程實際的巖石力學(xué)參數(shù)，包括：

8、s11：開展閉井升壓現(xiàn)場試驗：選擇造腔結(jié)束、且在造腔完成后開展過聲吶測試的腔體，測量井口壓力隨時間變化的數(shù)據(jù)，并繪制井口壓力隨時間的變化曲線；

9、s12：計算出腔體在閉井升壓測試期間腔內(nèi)體積變化情況，即實際腔體體積收縮率；

10、s13：對測試腔體數(shù)值模型進行模擬計算，以得到腔體在閉井升壓試驗期間所發(fā)生的腔體收縮率；

11、s14：對比s12中的實際腔體收縮率與s13中腔體在閉井升壓試驗期間所發(fā)生的腔體收縮率，選擇兩者最為接近時的蠕變參數(shù)的組合值作為后續(xù)數(shù)值模擬分析的巖石力學(xué)參數(shù)。

12、本發(fā)明給出了計算實際腔體收縮率和腔體在閉井升壓試驗期間所發(fā)生的腔體收縮率的具體優(yōu)選方案，該優(yōu)選方案可保證得到可靠的實際腔體收縮率和腔體在閉井升壓試驗期間所發(fā)生的腔體收縮率，從而經(jīng)過對比，確定出能較好反映實際工程中巖石性質(zhì)的巖石力學(xué)參數(shù)。

13、進一步地，所述測量井口壓力隨時間變化的數(shù)據(jù)時，在井口處安裝可遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫Ρ?，以實現(xiàn)井口壓力數(shù)據(jù)采集和遠程傳輸。

14、在井口處安裝可遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫Ρ?，將采集到的進口處的壓力數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理端。

15、進一步地，所述步驟s2中，所述構(gòu)建地面沉降預(yù)測模型，包括：

16、s21：選擇已投產(chǎn)使用、開展過聲吶測腔、擁有自聲吶測腔以來的注采運行壓力數(shù)據(jù)的鹽穴儲氣庫的腔體，結(jié)合該腔體聲吶測腔數(shù)據(jù)以及地質(zhì)資料，建立三維數(shù)值模擬分析地質(zhì)模型，設(shè)置邊界條件、采用s1中通過開展儲氣庫現(xiàn)場蠕變參數(shù)反演試驗獲得工程實際的巖石力學(xué)參數(shù)，監(jiān)測對象設(shè)置為腔體體積變化以及腔體上部地層地面沉降監(jiān)測點位移；

17、s22：整理腔體注采運行壓力數(shù)據(jù)的數(shù)值計算代碼，按照已有注采運行數(shù)據(jù)循環(huán)擴充至若干年，進行數(shù)值模擬，得到腔體體積變化以及腔體上部地層地面沉降監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)；

18、s23：對s22步驟所得數(shù)據(jù)進行整理，得到該腔體在不同體積收縮率下的地面沉降曲線；

19、s24：根據(jù)s23中多個不同體積收縮率時的地面沉降曲線計算出其對應(yīng)的體積傳遞系數(shù)，得到體積傳遞系數(shù)在不同體積收縮率下的變化曲線；

20、s25：將以上體積傳遞系數(shù)應(yīng)用于地面沉降預(yù)測模型，得到計算其他腔體在相應(yīng)體積收縮率下的地面沉降情況的沉降模型。

21、本發(fā)明給出基于理論推導(dǎo)得到的體系傳遞系數(shù)構(gòu)建地面沉降預(yù)測模型的方案，相比現(xiàn)有技術(shù)中僅憑借經(jīng)驗確定體系傳遞系數(shù)的方案，本方案具有更高的可靠性。

22、進一步地，所述確定地面沉降預(yù)警閾值時，基于鹽穴腔體許可變形15-20％確定地面沉降預(yù)警閾值。

23、基于對腔體收縮風險的分析：當腔體體積收縮率達到20％時，將引發(fā)較嚴重的風險后果，腔體嚴重變形損傷，主要功能受損，處于一個較為危險的狀態(tài)，而當腔體體積收縮率達到30％時，將引發(fā)災(zāi)難性的后果，因此從保守的角度分析，腔體體積收縮率不宜超過20％，本發(fā)明結(jié)合具體的工程情況給出許可變形15-20％的可選范圍，保證所確定的預(yù)警閾值的合理性。

24、進一步地，所述確定地面沉降預(yù)警閾值時，分別計算出每個腔體的地表沉降，然后對各個腔體的地表沉降增加一個修正系數(shù)進行線性疊加，得到整體地表沉降。

25、本發(fā)明考慮群腔之間的相互影響產(chǎn)生的群腔相互影響效應(yīng)，從而得出更符合實際情況的地面沉降預(yù)警閾值。

26、進一步地，所述確定地面沉降預(yù)警閾值時，包括：

27、s31：選定某個鹽穴儲氣庫區(qū)域；

28、s32：收集該鹽穴儲氣庫區(qū)域內(nèi)所有腔體的聲吶測試資料及地質(zhì)資料；

29、s33：采用s24步驟驗證所得體積傳遞系數(shù)和影響角及地面沉降理論預(yù)測模型，計算每個腔在腔體收縮到達設(shè)定值時，所引發(fā)的地面沉降量；

30、s34：確定會產(chǎn)生群腔相互影響效應(yīng)的腔體,對各個腔體的地表沉降增加一個修正系數(shù)進行線性疊加，得到整體地表沉降預(yù)測數(shù)據(jù)；

31、s35：根據(jù)上述整體地面沉降預(yù)測數(shù)據(jù)，找出該所選區(qū)域地面沉降累計值最大位置，再結(jié)合所選鹽穴儲氣庫區(qū)域的許可變形設(shè)定預(yù)警閾值；

32、s36：根據(jù)s35中的預(yù)警閾值和s2中預(yù)測的地面沉降進行安全預(yù)警。

33、本發(fā)明給出了基于鹽穴腔體許可變形、并考慮群腔之間相互影響后進行地面沉降預(yù)警的具體優(yōu)選方案。

34、進一步地，所述s35中根據(jù)整體地面沉降預(yù)測數(shù)據(jù)，找出該所選區(qū)域地面沉降累計值最大位置時，采用如下方法：根據(jù)整體地面沉降預(yù)測數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的地面沉降云圖，基于該地面沉降云圖，找出該所選區(qū)域地面沉降累計值最大位置。

35、地面沉降云圖可以直觀、形象地反映地面沉降預(yù)測數(shù)據(jù)，以便于準確、快速地找出地面沉降累計值最大位置。