小井間距雙井水溶造腔流場運(yùn)移規(guī)律及三維數(shù)值模擬研究.pdf

1、能源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的客觀前提，如何保障能源安全成為各個(gè)國家的戰(zhàn)略目標(biāo)。國務(wù)院辦公廳在《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》提到“完善能源替代和儲(chǔ)備應(yīng)急體系，著力增強(qiáng)能源供應(yīng)能力，到2020年，基本形成比較完善的能源安全保障體系，基本建成能源儲(chǔ)備應(yīng)急體系?！币獙?shí)現(xiàn)我國能源的可持續(xù)發(fā)展，需要提高石油、天然氣儲(chǔ)備能力，加快天然氣儲(chǔ)氣庫建設(shè)，提高儲(chǔ)氣規(guī)模和應(yīng)急調(diào)峰能力。目前儲(chǔ)庫類型主要為：地面儲(chǔ)庫、海上儲(chǔ)庫、

2、地下儲(chǔ)庫。地下儲(chǔ)庫相對(duì)于其他兩種類型儲(chǔ)庫，具有安全、經(jīng)濟(jì)、使用的特點(diǎn)，更具戰(zhàn)略意義，全球地下戰(zhàn)略儲(chǔ)備能源達(dá)60％。鹽巖滲透性低，有穩(wěn)定的力學(xué)特性及損傷自愈合能力，被國際社會(huì)公認(rèn)為地下儲(chǔ)庫的理想介質(zhì)。目前常規(guī)儲(chǔ)氣庫建造水溶開采方法為單井油墊法，適用于地質(zhì)條件好、夾層少的巖體環(huán)境。我國鹽巖地質(zhì)條件多夾層，單井油墊法在造腔體積、建腔周期等方面難以滿足日益增長的儲(chǔ)庫需求，儲(chǔ)庫建造效率較低。1997年，Botho提出以小井間距雙井水溶造腔技術(shù)建造

3、鹽穴地下儲(chǔ)庫溶腔，縮短造腔周期，提高造腔效率。為此關(guān)于小井間距水溶造腔的相關(guān)理論研究不斷開展。本文以淮安鹽穴儲(chǔ)氣庫項(xiàng)目為工程背景，對(duì)比開展國內(nèi)、外鹽巖常規(guī)溶解特性研究，在獲取溶解參數(shù)基礎(chǔ)上，針對(duì)小井間距雙井水溶造腔進(jìn)行室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)（CFD），用數(shù)值模擬手段探究小井間距流場運(yùn)移特征。
　　本研究主要內(nèi)容包括：①進(jìn)行國內(nèi)外鹽巖微觀SEM實(shí)驗(yàn)、EDS能譜分析和XRD實(shí)驗(yàn)，對(duì)比兩者微觀相似性與差異性。分析了鹽巖溶解作用機(jī)

4、理，針對(duì)國內(nèi)外鹽巖開展多因素影響溶解實(shí)驗(yàn)，探究環(huán)境溫度、環(huán)境濃度、溶解傾角對(duì)國內(nèi)外鹽巖溶解速率的影響，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)鹽巖與國外鹽巖在不同因素下存在共性與個(gè)性。②進(jìn)行小井間距水溶溶腔流場運(yùn)移規(guī)律研究。利用染色法，根據(jù)流動(dòng)特征，把小井間距溶腔分為四個(gè)主體區(qū)域。分別為：邊界溶蝕區(qū)、浮羽流區(qū)、對(duì)流擴(kuò)散區(qū)、底部飽和區(qū)，各個(gè)區(qū)域相互影響。浮羽流區(qū)驅(qū)動(dòng)整個(gè)溶腔流體流動(dòng)，根據(jù)流體力學(xué)建立羽流微分?jǐn)?shù)學(xué)模型。以羽流極限高度為界，把對(duì)流擴(kuò)散區(qū)區(qū)域化，分別探究其流動(dòng)

5、特性。邊界溶蝕區(qū)區(qū)域可分為普通邊界區(qū)和紊動(dòng)壁面浮射流區(qū)，紊動(dòng)壁面浮射流區(qū)影響溶腔直徑。底部飽和區(qū)濃度在鹵水注入初期呈線性，穩(wěn)定后趨于飽和。溶腔濃度分層分布，以管鞋平面為界面呈現(xiàn)不同濃度特征。流場的運(yùn)移規(guī)律及其濃度分布特征對(duì)控制溶腔溶解及其溶腔的形狀控制有參考價(jià)值。③開展多因素下小井間距水溶溶腔流場特征室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。分別從注水流量、提管高度、夾層賦存三個(gè)方面探究不同因素變化下，小井間距溶腔流場特征。研究表明，加大注水流量，浮羽流極限高度越高，

6、鹽巖溶解速率加快，但溶腔內(nèi)濃度變化速率會(huì)變小。提管高度的改變實(shí)際上是改變羽流的作用范圍，影響區(qū)域隨之改變。夾層的賦存會(huì)阻礙局部流場區(qū)域的作用范圍，但不會(huì)改變?nèi)芮粷舛确謱臃植?。④小井間距水溶溶腔流場數(shù)值模擬研究。在上述取得相關(guān)參數(shù)基礎(chǔ)上，利用ICEM建模，F(xiàn)LUENT數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證流場運(yùn)移規(guī)律及濃度分布特征。研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬與室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)宏觀流場效果吻合，但在局部區(qū)域，數(shù)值計(jì)算表現(xiàn)出不同旋度的復(fù)雜特征，也解釋了在“染色法”物理實(shí)驗(yàn)中存在的