盐穴储气库注气排卤三维有限元模型分析及参数优化

段禹行; 毛良杰; 宫璇; 关跃阳

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506883

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (21) :9109-9120 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506883

石油、天然气工业

盐穴储气库注气排卤三维有限元模型分析及参数优化

段禹行 ¹ ,
毛良杰 ¹^,^* ,
宫璇 ² ,
关跃阳 ³

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Parameter Optimization and Analysis of Three-dimensional Finite Element Models for Gas Injection and Brine Displacement in Salt Cavern Gas Storage Reservoirs

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摘要

注气排卤工艺盐穴储气库建设的关键环节,其通过向盐腔注采管柱环空注入天然气,驱替腔内卤水以实现储气目标。为了提高注气排卤工艺的效率,通过SOLIDWORKS建立了盐腔注气排卤三维有限元模型,并运用有限元分析软件模拟不同工艺参数对排卤过程的影响。基于该模型分析了气液界面高度变化和沉渣运移规律,结果表明:增大注气压力与注气流量可显著促进气液界面下降,提高排卤效率;而增大排卤管管径不利于卤水快速导出,同时排卤管口与沉渣平面间距过低易导致沉渣吸入与堵塞。结合以上规律提出了注气参数的优选方法,并通过现场试验验证了优化参数组合的有效性,为盐穴储气库注气排卤施工提供了理论支持与实践意义。

Abstract

The gas injection and brine displacement process is a critical step in the construction of salt cavern gas storage facilities. This process involves injecting natural gas into the annular space of the gas injection and production tubing, displacing brine within the cavern to achieve the desired gas storage. To enhance the efficiency of this gas injection and brine displacement process, a three-dimensional finite element model of the salt cavern gas injection and brine displacement was established using SOLIDWORKS. Finite element analysis software was then employed to simulate the effects of different operational parameters on the brine displacement process. The model was used to analyze variations in the gas-liquid interface height and the movement of sediment. The results indicate that increasing the injection pressure and gas flow rate significantly accelerates the downward movement of the gas-liquid interface, thereby improving the brine displacement efficiency. Conversely, increasing the diameter of the displacement pipe hinders the rapid expulsion of brine, and a reduced distance between the pipe outlet and the sediment plane increases the risk of sediment entrainment and clogging. Based on these findings, an optimal method for selecting gas injection parameters was proposed, and the effectiveness of the optimized parameter set was validated through field tests. This study provides theoretical support and practical significance for the gas injection and brine displacement operations in salt cavern gas storage construction.

Graphical abstract

关键词

盐穴储气库 / 注气排卤 / 流场 / 沉渣运移 / 参数优化

Key words

salt cavern gas storage / gas injection and brine displacement / flow field / sediment transport / parameter optimization

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段禹行, 毛良杰, 宫璇, 关跃阳. 盐穴储气库注气排卤三维有限元模型分析及参数优化[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(21): 9109-9120 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506883

DUAN Yu-hang, MAO Liang-jie, GONG Xuan, GUAN Yue-yang. Parameter Optimization and Analysis of Three-dimensional Finite Element Models for Gas Injection and Brine Displacement in Salt Cavern Gas Storage Reservoirs[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(21): 9109-9120 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506883

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盐穴储气库具有密封性强、耐压性高,储气量大、注采灵活等优点,是中国天然气产业的重要配套设施,对保障能源安全、应急调峰具有关键作用^[1-2]。要实现其高效储气功能,首先应利用水溶法进行建腔,之后通过注气排卤工艺将卤水排出以形成储气空间^[3]。在该过程中,注气排卤的实施效果直接影响到工程时效。而影响注气排卤效率的参数众多,这使得在工程应用当中,注气压力、注气流量、排卤管径及其距沉渣面高度等参数,均会影响气液界面下降和沉渣运移,进而影响卤水置换效率和排卤效果,因此有必要对这些参数进行系统分析与优化。

目前,已有众多学者对影响排卤效率的因素进行了研究。Sui等^[4]采用数值模拟方法,研究了不同注采周期及压差条件下储气井的气固耦合过程;Liu等^[5]通过数值模拟分析了排卤管深度与排卤流速对储气库运行效率及安全性的影响;Zhang等^[6]建立了注气排卤过程中卤水流场的数值模型,确定了排卤后期不同残卤深度下的安全排卤速率。然而,上述研究多聚焦于储库安全与运行效率,尚未系统开展注气排卤参数对排卤效率影响的敏感性分析,也未能充分揭示注气排卤过程中流体运移的内在机制与规律。在盐穴储气库注气排卤工艺优化与沉渣运移研究方面,亦取得了多项进展。焦雨佳等^[7]针对某老腔开展了深入研究,在气液界面监测、注气压力调控、排卤管深度优化及沉渣处理等方面提出了工艺改进方法;杜玉洁等^[8]提出“注采一体化”管柱新工艺,在提高排卤效率的同时,有效降低了施工风险与成本。然而,既有研究对沉渣影响排卤效率的具体机制以及长期注气排卤过程中沉渣的动态演化行为及其对储库性能的长期影响仍缺乏深入探讨。

针对现有研究的不足,现从流场模拟、工艺优化及沉渣运移3个维度系统开展盐穴储气库注气排卤过程的研究。首先,基于SOLIDWORKS构建盐腔的三维模型,并进一步建立注气排卤的三维有限元模型,通过有限元分析软件对不同注气参数对排卤过程的影响机制进行模拟与分析。通过深入研究流体动态行为与沉渣运移规律,提出一种高效的注气参数优化方法。最终,结合现场试验验证优化参数组合的工程可行性,进一步验证优化方案在实际工程中的有效性与适用性。该研究将为盐穴储气库注气排卤工艺的优化设计与安全运行提供重要的理论依据与工程指导。

1 盐穴储气库注气排卤模型建立

1.1 注气排卤工艺流程

盐穴储气库注气排卤示意图如图1所示,盐穴储气库利用水溶法建腔后,盐腔内充满卤水,为储存天然气,需要通过注入天然气把腔内卤水驱替并通过排卤管柱返排至地面^[9]。中国盐穴储气库采用水溶法建腔后的腔体大部分都是鸭梨状^[10],采用上小下大的梨状不仅可以保障溶腔的稳定性,同时也能更有效地容纳底部的不溶物沉渣^[11]。排卤后期,随着气体的持续注入,气水界面稳步向下推进,气水界面越低,卤水置换程度越高,储存天然气的量就越大^[12]。在建立注气排卤过程的流体动力学模型前,提出以下基本假设。

(1)卤水为稳态不可压缩流体:注气排卤过程中,腔体内卤水的密度视为恒定,不随时间变化,流动为稳态过程。

(2)气液界面清晰且无混合:假设天然气与卤水之间界面分明,不考虑气相溶解于卤水或卤水蒸发至气相中的传质现象。

(3)沉渣颗粒为刚性球体:将沉渣颗粒视为均匀、刚性、球形的离散相,其运动主要受流体拖曳力、浮力、重力和相间作用力控制。

(4)流场为各向同性均匀介质:盐腔内流体域视为连续、均匀、各向同性的介质,忽略盐岩壁面非均匀性对流场的影响。

1.2 注气排卤过程中流体运移动力学控制

1.2.1 流体运移模型

在注气排卤期间,地面不断向盐腔内注气,该过程中气水置换流动满足质量守恒方程,连续性方程为

(1)$\frac{\partial \left(\rho u\right)}{\partial x}$+$\frac{\partial \left(\rho v\right)}{\partial y}$+$\frac{\partial \left(\rho w\right)}{\partial z}$=S_m

式(1)中:ρ为密度,kg/m³;u、v、w分别为x轴、y轴、z轴上的不同速度的分量;S_m为源项。

在某一瞬时,系统动量的时间变化率等于作用在该系统上所有外力的合力,且两者方向相同。流场计算过程中的动量守恒方程为

(2)$\begin{aligned} \frac{\partial}{\partial t}\left(\rho u_{i}\right)+\frac{\partial}{\partial x_{i}}\left(\rho u_{i} u_{j}\right)= & -\frac{\partial p}{\partial x_{i}}+\frac{\partial}{\partial x_{j}}\left(\mu \frac{\partial u_{i}}{\partial x_{j}}-\right. \\ & \left.\rho \overline{u_{i}^{\prime} u_{j}^{\prime}}\right)+\rho g_{i} \end{aligned}$

式(2)中:p为流体的压力,Pa;μ为流体动力黏性系数,Pa·s;u_i、u_j为速度脉动分量,m/s,上横线表示时间平均;x_i、x_j为空间坐标,m;t为时间,s;g_i为重力加速度分量,m/s²。

注气排卤过程中有能量交换,故需要使用能量方程。对于该过程中绝能定常流动的方程,当温度T为变量时,设定通用变量ϕ,此时的能量守恒方程为

(3)

$\frac{\partial }{\partial t}$

ρT+div(ρuT)=div$\left(\frac{K}{{C}_{p}}\mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}T\right)$+S_T

式(3)中: T为温度,K;S_T为能量源项;C_p为定压比热容,J/(kg·K);K为流体导热系数,W/(m·K);u为速度矢量。

1.2.2 卤水拖曳力模型

为直观分析沉渣颗粒在卤水流场中的运动机制,图1展示了单个典型沉渣颗粒的受力情况。其主要受力包括拖曳力、重力、浮力以及颗粒间相互作用力等。在注气排卤过程中,将卤水视为连续相、沉渣颗粒视为离散相,采用Schiller-Naumann模型计算颗粒所受拖曳力。该模型可准确描述卤水流场对沉渣颗粒的驱动作用,其拖曳力系数计算公式如下。

(4)

$\left\{\begin{array}{ll}{C}_{\mathrm{d}}=\frac{24}{R{e}_{\mathrm{p}}}(1+0.15R{e}_{\mathrm{p}}^{0.687}),& R{e}_{\mathrm{p}}\le 1\mathrm{ }000\\ {C}_{\mathrm{d}}=0.44,& R{e}_{\mathrm{p}}>1\mathrm{ }000\end{array}\right.$

(5)Re_p=$\frac{{\rho }_{\mathrm{l}}{d}_{\mathrm{p}}\left|{v}_{\mathrm{l}}-{v}_{\mathrm{s}}\right|}{{\mu }_{\mathrm{l}}}$

式中:C_d为拖曳力系数;Re_p为颗粒雷诺数;ρ_l为卤水密度,g/cm³;d_p为沉渣颗粒粒径,mm; v_l为卤水流速,m/s;v_s为沉渣颗粒运动速度,m/s。

卤水对沉渣颗粒的拖曳力计算公式为

(6)F_drag=$\frac{3}{4}$C_d$\frac{{\rho }_{\mathrm{l}}{\alpha }_{\mathrm{s}}}{{d}_{\mathrm{p}}}\left|{v}_{\mathrm{l}}-{v}_{\mathrm{s}}\right|$(v_l-v_s)

式(6)中:α_s为沉渣体积分数。

Realizable k-ε模型在旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离、二次流动、平板和圆柱射流的发散比率等问题上有更良好的表现,故湍流模型选择Realizable k-ε模型^[13]。

Realizable k-ε模型包括湍流动能方程和扩散方程,表达式分别如下。

(7)ρ$\frac{\mathrm{d}k}{\mathrm{d}t}$=$\frac{\partial }{\partial {x}_{i}}\left[\left(\mu +\frac{{\mu }_{\mathrm{t}}}{{\sigma }_{k}}\right)\frac{\partial k}{\partial {x}_{i}}\right]$+G_k+G_h-ρε-Y_M

(8)ρ$\frac{\mathrm{d}\epsilon }{\mathrm{d}t}$=$\frac{\partial }{\partial {x}_{i}}\left[\left(\mu +\frac{{\mu }_{\mathrm{t}}}{{\sigma }_{\epsilon }}\right)\frac{\partial \epsilon }{\partial {x}_{i}}\right]$+ρC₁Sε-ρC₂$\frac{{\epsilon }^{2}}{k+\sqrt{\nu \epsilon }}$+C₁_ε

$\frac{\epsilon }{k}$

C₃_εG_b

(9)C₁=max$\left(0.43\frac{\eta }{\eta +5}\right)$

式中:k为湍流动能,m²/s²;μ_t为湍流黏性系数,Pa·s;湍流能σ_k=1.0;Y_M为可压缩湍流中过度扩散产生的波动;G_k为剪切生成项;G_h、G_b为浮力生成项;ε为湍流耗散率,m²/s³;计算参数C₁_ε=1.42,C₃_ε=0.99;η为无量纲应变参数;C₂为模型常数;v为动力黏度,m/s²;S_k为湍动能方程的附加源项;S为平均应变率模量,s^-1。

1.3 储气库注气排卤的三维有限元模型建立

中国盐穴储气库经水溶法建腔后的腔体大部分都是鸭梨状,因此采用鸭梨状腔体进行模拟试验,并根据布尔运算建立储气库注气排卤的三维有限元模型^[14]。由于排卤水时间比较长,会使运算量非常大,因此将球形腔体模型简化为如图2所示的对称性模型。之后对其进行网格划分,内部注气管及排卤水管采用六面体网格,外部几何体采用四面体网格。

对流体域进行初始化,初始化下部分为卤水,底部为颗粒分布。初始时卤水及颗粒分布场如图3所示。

1.4 边界条件

采用有限元分析软件对盐矿老腔腔内流体运移规律进行数值模拟,边界条件具体设置如下。

(1)进气口:采用压力进口边界条件,注气压力设置为12、13、14 MPa等不同工况。

(2)排卤口:为卤水出口,排卤管管径范围为114.3~139 mm,管口距沉渣面距离为 0.2~2 m。

(3)对称面:由于模型具有对称性,将中间切平面设置为对称面,以减少网格数量和计算量。

(4)流体域初始化:初始状态下,下部分为卤水,底部为颗粒分布,气液固三相分别设置相应的物理参数。

(5)沉渣颗粒分布:初始沉渣按21 m厚度均匀分布,沉渣体积分数为0.2。

1.5 网格无关性验证

为了选择便于计算且精度较高的网格进行模拟计算,对网格无关性进行了分析。划分了不同数量的网格进行计算,得到各套网格的气液面高度和沉渣隆起高度,计算相邻网格等级间的参数相对误差,公式为

(10)δ=$\left|\frac{{X}_{i+1}-{X}_{i}}{{X}_{i+1}}\right|$×100%

式(10)中:δ为相对误差;X_i为第i级网格的参数值;X_i₊₁为第i+1级网格的参数值。

超细网格划分为550万个节点、2 600万个网格,但是超细网格需要较多计算资源,造成成本浪费,因此需要选择兼顾计算成本与精度的网格进行模拟计算。具体网格信息如表1所示。

如表1所示,从极粗到中等网格,气液界面高度相对误差从1.61%降至0.74%,沉渣隆起高度相对误差从0.98%降至0.24%,精度显著提升;从中等到超细网格,气液界面高度误差从0.74%降至0.30%,沉渣隆起高度误差稳定在0.12%~0.24%,误差变化率<0.5%,精度趋于饱和。因此,选用节点数276万、网格数1 306万的中等网格方案可在保证精度的同时显著提升计算效率。

2 储气库注气排卤影响因素分析及参数优化设计

2.1 储气库注气排卤流场基本特性

以江苏金坛盐穴储气库西区块典型盐岩层地质参数为基础,通过第1节建立的注气排卤三维有限元模型来模拟排卤中期腔内流体的运动规律。该井井深1 053 m,地层压力11.4 MPa,温度43.04 ℃,地层平缓且无断层,裂隙不发育,盐层分布面积6.5 km²,盐层顶部埋深1 050 m,盐层厚度130 m,含盐率86%,如表2所示。

设置注气压力为14 MPa,排卤管柱尺寸为Φ127 mm×7.52 mm(外径和壁厚),排卤管口与沉渣面之间的距离为1 m,注气流量为10×10⁴ m³/d,排卤时间为30 d。基准液面高度为73 m,初始沉渣平面高度为21 m。模拟结果如图4所示,液面高度为52.968 1 m,整个气液界面下降了20.032 m。

沉渣颗粒运移情况如图5所示,沉渣颗粒在排卤管管口下方形成了一个较为明显的凸起,颗粒隆起最大高度距离盐腔底部为21.129 6 m,较初始沉渣平面高度上升了0.129 6 m。这是由于高速流体对沉渣颗粒的拖拽力更强,当这些力超过颗粒自身重力及周围颗粒的摩擦力时,便会推动沉渣向上堆积。如图6所示,盐腔内流体速度矢量指向排卤管管口,且距离管口越近,流体速度越大。如图5所示,排卤管正下方的沉渣颗粒受卤水流场影响最大。

2.2 排卤管口距沉渣平面不同高度对排卤量的影响

图7、图8显示了注气压力为14 MPa、注气流量为50×10⁴ m³/d及排卤管管径为114.3 mm时,不同管口高度(0.2、1、1.5、2 m)的气液界面运移程度。图8显示,随着管口与沉渣平面距离的增加,气液界面下降高度总体呈增大趋势。当管口高度为0.2 m时[图7(a)],管口与沉渣平面距离过近时,气液面下降高度明显较低。当管口高度增至1、1.5、2 m时[图7(b)~图7(d)],界面下降高度虽有所增加,但变化幅度有限。

图9、图10为模型运行结束后沉渣的运移演化特征。从图10可以看出,随着排卤管口与沉渣平面之间距离的增大,沉渣最大隆起位置与管口之间的距离也逐渐增加。当管口高度设定为0.2、1和1.5 m时[图8(a)~图8(c)],沉渣隆起顶点与管口距离均保持在较小范围。然而,当管口高度增至2 m时[图8(d)],该距离显著增大。

上述现象的内在机理可统一归结为流-固耦合作用下局部流动结构的变化与颗粒响应行为^[15]。一方面,当管口高度较低时,流线在管口附近急剧收缩汇聚,于沉渣层表面形成极高的流速梯度,产生强烈拖曳力,导致沉渣颗粒易在管口处隆起甚至被抽吸至管内,严重降低排卤效率。另一方面,沉渣隆起结构进一步干扰管口附近的流场^[16],流线受沉渣颗粒群的强烈干扰而发生收缩与偏转,诱发局部涡旋与节流效应^[17],显著增大卤水流入管口时的水力阻力,进一步降低排卤效率。

基于上述流场特性及沉渣运移规律,为有效防止沉渣颗粒被吸入排卤管并降低堵塞风险,同时最大限度地保证排卤效率,建议将排卤管吸入口设置在距沉渣表面上方约2 m的高度处。

2.3 不同注气压力对排卤效率的影响

图11、图12显示了注气流量为50×10⁴ m³/d、排卤管管径为114.3 mm及排卤管管口距底高度为2 m时,不同注气压力(12、13、14 MPa)的气液界面运移程度。图12显示,随着注气压力提高,气液界面下降高度显著增加。

图13、图14展示了底部沉渣颗粒的运移与演化特征。从图14可以看出,随着注气压力的增大,沉渣的最大隆起高度逐渐增加。如图13所示,在注气压力增加过程中,颗粒仅发生轻微的重排或表层蠕动,隆起高度变化幅度较小。最大隆起高度远低于管口高度,并未形成可能危及管口安全的“砂锥”或大规模颗粒运移现象。

上述现象可通过流-固耦合机制予以统一解释:在恒定注气流量下,提高注气压力实质提升了系统整体压力水平,腔顶气压显著逐渐升高。该压力升高直接增大了排卤驱动压差,根据伯努利原理,更多的压力势能转化为卤水的动能^[18],表现为排卤流速与体积流量显著提升,从而促使气液界面加速下降。与此同时,排卤管的抽吸作用在沉渣层内部及表面形成了强烈的流速梯度,这不仅产生了将颗粒推向管口的拖曳力,还引起流体在颗粒孔隙间的渗流。这种渗流会产生额外的渗透力,削弱颗粒间的有效应力^[19],降低其抗剪切能力,从而更易于使沉积状态的颗粒重新悬浮和运移。

综上所述,增大注气压力是有效提高排卤效率的关键操作措施,虽然提高注气压力会使沉渣运移增强,但其导致的排卤管口堵塞风险可忽略不计。因此,在施工安全的前提下,可适当提高注气压力。

2.4 不同注气流量对排卤速度的影响

图15、图16显示了气液界面高度在注气压力为14 MPa、排卤管管径为114.3 mm及排卤管管口距底高度为2 m时,不同注气流量(10×10⁴、30×10⁴、50×10⁴ m³/d)下的运移程度。图16显示,随着注气压力提高,气液界面下降高度逐渐增加。

图17、图18显示了底部沉渣颗粒的运移与演化特征。如图17所示,在注气压力增加过程中,颗粒仅发生轻微的重排或表层蠕动,隆起高度变化幅度较小。最大隆起高度远低于管口高度,并未形成可能危及管口安全的“砂锥”或大规模颗粒运移现象。

增大注气流量意味着单位时间内有更多气体被压缩并注入腔顶有限空间。根据气体状态方程,这将导致腔顶压力累积升高^[20],从而显著增大驱动卤水排出的有效压差。与此同时,排卤管入口处的抽吸作用也随之增强,在沉渣层内部及表面形成更为显著的流速梯度。该梯度不仅直接增强了对颗粒的拖曳力,也加剧了流体在颗粒孔隙中的渗流;渗流所产生的渗透力会进一步削弱颗粒间的有效应力和结构稳定性,降低其抗剪切能力,使沉积颗粒更易起动和运移。因此,注气流量的增大最终共同促使卤水排出速率加快、气液界面快速下移,并同时引起颗粒向管口方向运移和局部堆积,导致沉渣隆起高度略有增加。

基于上述分析,增大注气流量能有效提升排卤效率。尽管注气流量增大会使沉渣运移略微增强,但由于沉渣隆起最高点始终显著低于排卤管口,沉渣颗粒被吸入管内的风险极低,其对管口堵塞及排卤量的影响可忽略不计。因此,在施工安全允许的前提下,增大注气流量是提高排卤效率的有效手段。

2.5 不同排卤管管径对排卤效率的影响

图19、图20显示了注气压力为14 MPa、注气流量为50×10⁴ m³/d及管口高度为2 m时,不同排卤管管径(114.3、127、139 mm)下的气液界面运移程度。图20显示,随着排卤管管径增大,气液界面下降高度呈减小趋势。

图21、图22展示了模型运行结束后沉渣的运移与演化特征。由图22可见,随着排卤管管径增大,沉渣隆起高度逐渐降低。当排卤管管径为114.3 mm时[对应图21(a)],沉渣运移最为显著,隆起高度达到最大,但其隆起部位仍与管口保持安全距离。

这是由于增大排卤管管径会减小环空注气通道的有效流通面积。根据范宁公式,流动摩擦压降与水力半径成反比,因此注气摩阻显著增大,导致更多注入压力需用于克服环空流动阻力,实际作用于盐腔顶部用于驱动卤水排出的有效压力相应降低。其最终表现为排卤管内卤水流速下降,单位时间排卤量减少,气液界面下降高度减小。但沉渣表面的流速梯度也随之减弱,致使流体对颗粒的拖曳力逐渐低于其启动临界应力阈值,沉渣运移程度因而减轻。

模拟结果表明,采用较小的排卤管管径可显著降低注气过程中的摩阻损失,提升排卤效率。尽管较小管径会在一定程度上加剧沉渣扰动,但其引起的颗粒隆起高度有限,整体影响较小。因此,在工程实践中,建议在保证排卤管通过性与抗堵塞能力的前提下,避免选用过大管径,优先选择较小管径配置,以实现最佳排卤效果。

3 优化方案的现场试验与应用效果

为验证第二章所得参数优化结论的工程适用性,选取江苏金坛地区盐穴储气库西区块的两个相邻井组(井区一和井区二)储气库开展现场对比试验。其中一井采用常规注气排卤参数(对照组),另一井则采用经模拟优化设计后的参数组合(优化组),以对比分析其排卤效率与运行安全性。

3.1 试验井区地质与工程背景

两试验井区均处于同一盐背斜构造带,盐层埋深介于1 200~1 500 m,盐岩纯度(质量分数)≥85%,夹层主要为泥岩与石膏,地层压力、温度等关键地质参数相近,相关参数如表3所示,具备良好的试验可比性。其中井区一设为对照组,井区二为优化组,两组盐腔形态、沉渣分布等工程条件也基本一致,有效排除了地质条件差异对试验结果的显著干扰。

两盐腔均采用水溶法造腔建腔工艺形成,腔体呈典型的鸭梨状。建腔完成后,腔内充满饱和卤水。腔底沉积的不溶物沉渣主要由溶蚀残留的泥质、钙镁硫酸盐颗粒组成,粒径范围集中在0.01~1.5 mm,初始状态均匀平铺于腔底,体积分数为0.2。

3.2 试验参数设置与运行结果

井区一(对照组)采用常规施工参数,如表4所示。该井于2023年10月8日开始注气排卤,至2024年1月7日结束运行,共注气约3 640×10⁴ m³,排出卤水约29×10⁴ m³,总工期91 d。

井区二(优化组)采用优化设计参数:该井于2024年9月6日开始运行,至2024年11月24日结束运行,共注气约3 450×10⁴ m³,排出卤水约30×10⁴ m³,总工期79 d。

3.3 结果分析与优化效果评价

对比两组试验结果可知,优化组在注气总量相近的情况下,排卤工期较对照组缩短12 d,效率提升约13%,与第2节模拟中“提高注气压力与流量可显著提升排卤速度”的结论一致。同时,优化组采用2 m管口高度,全程未出现沉渣堵塞现象,有效规避了高速流场可能引发的堵塞问题,验证了该高度在避免堵塞的同时仍能保证较高排卤效率的可行性。

此外,优化组采用较小管径(114.3 mm)并未导致排卤能力下降,反而因流速提升与摩阻降低,进一步增强了排卤动力,与模拟结果吻合。

综上所述,现场试验结果充分验证了第2节参数优化结论的有效性与工程适用性,表明通过注气压力、流量、管径与管口高度的协同优化,可在保障运行安全的前提下显著提升盐穴储气库注气排卤效率。

4 结论

掌握排卤管口附近卤水流场特性及不溶物沉渣颗粒运移规律,是优化盐穴储气库注气排卤工艺的基础。本文研究通过建立盐穴储气库注气排卤三维有限元模型,系统分析了流场基本特性,模拟计算了注气排卤过程中气液界面下降高度与沉渣运移速度,得出以下结论。

(1)排卤管口与沉渣平面的间距显著影响排卤效率:高度过低易导致沉渣在管口堆积堵塞,阻碍卤水流动;高度过高则可能超出卤水有效聚集范围,减少实际排卤量。优化结果表明,间距控制在约2 m时既可有效避免堵塞,又能最大化排卤量。

(2)提高注气压力与注气流量可显著增加卤水排出量与流速,从而加速气液界面下降,提升排卤速度。尽管卤水曳力增大会引起沉渣运移速度及隆起高度略有增加,但其影响较小,在实际工程中可忽略不计。

(3)减小排卤管管径可在相同注气压力下提高排卤管内流速和卤水排出量,加速气液界面下降,提升排卤效率。沉渣运移速度及隆起高度受管径变化影响同样微弱,可忽略不计。

(4)实际工况下,需根据注气能力(压力、流量)和管柱配置(管径)动态优化排卤管口距沉渣平面的高度,寻求排卤效率与防堵风险的最佳平衡点。例如,在较低注气流量配合较大排卤管径时,可适当降低管口高度以提升排卤量;反之,在高注气参数或小管径工况下,则需适度提高管口高度以保障运行安全。参数的协同优化是实现高效、稳定排卤的核心。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家自然科学基金优秀青年科学基金(52422401)

四川省自然科学基金杰出青年科学基金(2024NSFJQ0018)

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Received	Published	Revised
2025-09-25	2026-07-28	2025-12-16
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2026-08-14

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