第7章　金坛溶腔储气库的地表变形预测

7.1　金坛盐矿地质情况

7.1.1　区域构造

（1）区域构造轮廓

金坛盆地北东向长33 km，北西向宽约22 km，面积约726 km2，夹持于茅山推覆带和上黄—大华隆起带之间，为北东向的小型沉积盆地。在大地构造上位于扬子地台的东北部，是苏南隆起区常州坳陷带中的次一级构造单元，其东部和南部与上黄—大华隆起相邻，北与陵口盆地和宁镇隆起带相望，西靠茅山推覆带。

常州坳陷为中、新生代沉积盆地，总的构造格局为中部高、四周低，在隆起带周边形成金坛、常州、陵口、溧阳、南渡等若干中、新生代盆地，其中以西部的金坛盆地下陷最深，新生界沉积较厚。

（2）盆地构造特征

金坛盆地深凹部在盆地西部的直溪桥凹陷，该凹陷北起旧县、延陵，南至薛埠、西塔山，西达荣炳、西场，东至迪庄、直溪、河口，呈北东走向，面积约265 km2，凹陷中部为盐岩沉积区，面积60.5 km2。

凹陷的沉降中心在西北部紫阳桥一带，中、新生界沉积可达3 800 m。直溪桥凹陷北受荣炳—阳山北东向拉张断裂控制，是本凹陷重要的边界断层，其断距超过2 500 m，它的形成和发展严格控制凹陷内新生界的发育和沉积，凹陷东南受迪庄河口北东向拉张断裂控制，断距逾千米，控制了盐岩的沉积；凹陷南部受近东西向的岗段—上阳断裂控制，断距约600 m。由此看来，直溪桥凹陷为北西深、南东浅的箕状凹陷。

根据基底起伏和沉积发育特征，结合盐岩在凹陷内的空间分布规律，直溪桥凹陷可进一步划分为4个次一级构造单元，呈北东向一隆两洼的基本格局，构造比较简单。

中部王甲—东岗低拱，有王甲、前庄两个小高点，盐岩顶板埋深分别为980 m和860 m。

西部紫阳桥—倪巷浅洼，盐岩顶板最大埋深1 140 m，处于盐岩层向西减薄尖灭带上。

东部陈家庄—上白塘次洼，位于王甲—东岗低拱与东边部断阶带之间，发育有陈家庄，上白塘两个较深的洼陷区。

东边部井庄—观前断阶，位于陈家庄—上白塘次洼与直溪桥断层之间的上翘部位，除鲍塘北东向反向断层外，在北部尚有直溪桥断层派生出的3条东西向羽状小断层，形成多个分散的构造小高点。

盆地内断层主要有4条（见图7.1）：

图7.1　金坛盐矿构造图

直溪桥断层：走向北北东—北东，断面西倾，为一继承性压性断层，在区内延伸9 km，控制了直溪桥凹陷下第三系阜宁—三垛组的沉积，也是阜宁组晚期盐岩沉积的东部边界，阜宁组断距大于200 m，向北东断距减小。在北部由其派生出的3条近东西羽状小断层收敛于洼陷中，最大断距不超过40m，对盐岩沉积及分布无大的影响。

鲍塘断层：在直溪桥断层之西，与之组成“Y”形地堑，是直溪桥断层在三垛运动中形成的反向断层，断面东倾，走向北北东—北东，最大断距80m，在区内延伸6km。

观西—大树下断层：位于凹陷西部斜坡，走向近南北，断面东倾，向北延伸出凹陷，向南收敛于大树下，在区内延伸长4km，最大断距60m，对盐岩沉积不起控制作用。

西庄断层：位于凹陷北部荣3井—金20井南一线，走向近东西，断面南倾，荣1、荣3井钻遇该断层，在NE2945地震剖面上切割阜宁组、戴南组地层，断距上大下小，上部40m，下部20m，逐步消失于阜宁组内，延展长6.5km。

上述这些断层在活动期具有张性特征，但现今均为压性断层，且断距不大，断层两侧均为泥质岩或盐岩，具有良好的封堵性。

火成岩盆地内有发育，但对盐岩层基本没有影响，在盐体北边部的金16井有辉绿岩，大面积分布的玄武岩在盐岩层以上数百米，是区域性良好的隔水层。

7.1.2　地层沉积特征

金坛盆地及周围中、古生界及元古界地层出露于其北部的宁镇山脉东段及西部茅山地区，新生界下第三系地层除在茅山东麓有零星出露外均被第四系覆盖，在盆地内部为钻井所揭露，上第三系在本区缺失，第四系松散堆积覆盖全区。

下第三系自下而上由阜宁组、戴南组、三垛组组成，盐岩层分布于阜宁组上部。

（1）阜宁组（Ef）

本组地层与下伏地层呈不整合接触，厚179.35～1 251 m。根据岩性特征和微古生物化石组合可划分为4个岩性段。阜宁组四段上部为含盐岩层段。

阜宁组一段（Ef1）：底部为棕色粉细沙岩与咖啡色沙质泥岩互层，局部含砾，底见棕色含砾粗沙岩，中部暗棕红、咖啡色粉沙质泥岩、灰棕色粉细沙岩、细沙岩，上部暗棕红、咖啡色含粉沙泥岩、粉沙质泥岩、泥岩与棕灰、暗棕红色泥质粉沙岩互层。泥岩中含介形虫及轮藻化石。阜宁组一段沉积时气候干燥，氧化作用强，是动荡环境下的浅湖相沉积，与下伏地层呈不整合接触，厚度41.3～445 m。

阜宁组二段（Ef2）：下部深灰、灰绿色含粉沙泥岩夹薄层状泥灰岩、灰质泥岩，含分散状黄铁矿，上部灰绿、灰黑色含粉沙—粉沙质泥岩夹泥灰岩及其条带，含黄铁矿，局部见同生角砾，含较多的介形虫化石。本区阜宁组二段沉积时气候湿润，生物繁盛，是还原条件下的湖相沉积，厚度51.35～236 m。

阜宁组三段（Ef3）：深灰、深灰绿色、咖啡色泥岩、钙质泥岩夹泥灰岩、粉沙质泥岩、泥质粉沙岩，产介形类化石和轮藻化石。是弱还原—弱氧化交替浅湖相沉积，厚度33.2～255 m。

阜宁组四段（Ef4）：下部灰、灰黑色泥灰岩、钙质泥岩夹鲕状泥灰岩，含脉状石膏、分散状黄铁矿；上部灰白、灰、灰黑色盐岩夹棕褐色含钙芒硝泥岩、盐质泥岩、钙质泥岩，盐岩顶部普遍见泥粒岩；顶部深灰、灰绿色钙质泥岩，含硬石膏和钙芒硝。阜宁组四段沉积早期为还原条件下静、动水交替环境下的浅湖相沉积，晚期湖盆闭塞，湖水变浅，为蒸发岩相，厚度53.5～315 m。

直溪桥凹陷蒸发岩相区呈环带状分布，陈家庄—上白塘沉积中心为氯化物（石盐）相区，由中心向外的斜坡带为硫酸盐，碳酸盐相区，不仅有石盐沉积，还有石膏、钙芒硝、白云石等盐类矿物，再往外到边缘或靠近东部断阶的狭长地带为碎屑岩相区。

（2）戴南组（Ed）

戴南组一段（Ed1）：灰、灰黑色泥岩、粉沙质泥岩夹灰黑色含钙泥岩，浅棕灰色含钙含云泥岩，以后者为主，普遍含星散状和团块石膏、硬石膏，厚度63～340 m。

戴南组二段（Ed2）：下部深灰色局部浅棕色泥岩夹灰色云质泥岩条带，泥岩中含石膏、硬石膏，上部暗灰色含钙粉沙质泥岩、绿灰色含钙泥岩、浅灰绿色泥岩，厚度75～319 m。

戴南组沉积早期为湖滨三角洲—湖滨相和浅湖相沉积，晚期是氧化、还原交替的浅湖相。本组地层中产介形类和孢粉化石。与下伏地层的接触关系在周边为假整合接触，盆地中间为整合接触。

（3）三垛组（Es）

三垛组一段（Es1）：下部灰绿色泥岩、含钙泥岩夹灰黑色玄武岩，底见棕灰色细沙岩，泥质细沙岩，上部灰黑色玄武岩与棕红、灰绿色含钙、含粉沙泥岩不等厚互层，顶部玄武岩之上常见浅棕、灰绿色凝灰岩，厚度0～496 m。

三垛组二段（Es2）：下部咖啡色泥岩，含粉沙泥岩，含少量硬石膏，中部棕红色粉沙岩，含钙含粉沙泥岩，上部浅棕红色沙岩与含沙泥岩互层。厚度58～257 m。含介形类和轮藻化石。

三垛组沉积早期是静、动水交替，氧化、还原作用交替环境下的浅湖相沉积，晚期是浅湖—湖滨三角洲相沉积。与下伏地层呈假整合接触。

7.1.3　盐岩层特征

（1）盐岩层分布

1）盐岩层平面分布

本区盐岩层发育于直溪桥凹陷阜宁组沉积末期，属湖盆萎缩阶段水体浓缩的局限盐湖沉积。据地震资料解释成果及实际的钻井资料，金坛盐矿盐岩层的分布在平面和纵向上都比较稳定，呈北东向展布，盐岩体长轴12 km，短轴5.6 km，含盐面积60.5 km2，厚度67.85～230.95 m。盐岩层最厚的区域位于东北部陈家庄—上白塘一带，达180～230 m。平面上大体呈环状向四周减薄，向西部和北部趋于尖灭；东侧受直溪桥断层控制，为东部边界；西南部尚无资料，根据直溪桥凹陷沉积规律推测向西南也渐趋减薄尖灭。盐岩层平缓，略有起伏，总体向北西倾斜，倾角小于10°，边部倾角稍大，也在20°以内。

2）盐岩层的纵向分布

金坛盆地整个含盐层系自下而上构成一个完整的沉积旋回，水介质由淡化—浓缩—再淡化，剖面结构较简单。自下而上由两个横向分布稳定的棕红色及灰—灰黑色夹棕红色泥岩标志层将盐岩层分隔为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个主要矿层。

第一对比标志层（ZY1）位于下部第Ⅰ、Ⅱ盐层之间，岩性为棕红色泥岩，厚度0.6～4.91 m，茅兴、荣炳、陈家庄地区的平均厚度分为2.10 m、4.09 m、3.96 m，质坚硬，很少见裂隙，为主要对比标志层。

第二对比标志层（ZY2）位于上部第Ⅱ、Ⅲ盐层之间，岩性一般为灰—灰黑夹棕红色泥岩，厚度0.28～4.8m，茅兴、荣炳、陈家庄地区的平均厚度为1.9m、3.11m和2.75m。裂隙不发育，为次生盐充填，为盐层对比特征标志之一（见表7.1）。

表7.1　金坛盐矿层间夹层数据统计表

该盆地自下而上3个主要盐岩层分布状况如下：

①第Ⅰ盐岩层　钻井揭露该盐矿层顶面埋深910.65～1 216.86 m。北部的荣炳—陈家庄地区最深，为1 040.89～1 175.03 m，最深处是陈家庄的ZJ102井达1 216.86m；南部的林家边—茅兴—上白塘一带较浅，为910.65～1 022.30 m，最浅的是茅5井为910.65 m。

本矿层南厚北薄，主要发育在南部茅兴矿区一带，一般厚度55～69 m；平均58.4 m；北部荣炳地区已近尖灭带，厚度仅为3.67～23.32 m，平均为10.51 m，已钻13口井中，就有10口井缺失。东北部的陈家庄地区也仅为7.05～15.44 m，平均12.71 m（见表7.2）。

表7.2　金坛盐矿盐层厚度数据表

②第Ⅱ盐岩层　钻井揭露此矿层顶面埋深838.37～1 143.34 m，北部的荣炳—陈家庄地区为最深，达997.2～1 143.34 m，一般为1 000 m左右，南部林家边—茅兴—上白塘一带较浅，为837.37～924.96 m，一般900 m左右。

第Ⅱ盐岩层在全区分布，厚度最为稳定，一般均在50～80 m。茅兴地区33. 22～94.14 m，平均66.90 m，其中茅4井最厚达94.14 m。荣炳地区37.17～76.05 m，平均56.71 m。陈家庄地区53.49～81.08 m，平均达72.12 m，该层是沉积过程中最为稳定的盐岩层。

③第Ⅲ盐岩层　钻井揭露该矿层顶面埋深809.38～1 045.57 m，其中荣炳矿区最深达927.5～1 045.57 m；茅兴矿区最浅，一般为809.38～894.39 m；陈家庄矿区在944.32～999.52 m；上白塘地区最深可达1 060 m。

该盐岩矿层在全区分布，厚度为7.93～145.17 m，平均51.08 m，与第Ⅰ盐岩层相反，是北厚南薄。以陈家庄地区为最厚，平均达107.94 m，陈1井最厚达145.17 m。盐岩层以陈家庄深洼为中心向四周减薄，至南部林家边地区（茅兴矿已钻井井区）厚度已减薄为30 m左右，西北部荣炳矿区则介于两者之间，一般为30～70 m，平均可达50 m左右。

（2）盐岩层中夹层分布状况

1）层间夹层分布及含盐状况

在盐岩层分布中，前面已论述了Ⅰ、Ⅱ和Ⅱ、Ⅲ矿层之间具两个明显的泥岩标志层，即全区分布的夹层，岩性以泥岩为主。Ⅰ、Ⅱ矿层之间的夹层（ZY1夹层）厚度0.6～4.91 m，平均3.02 m。茅兴地区为含裂隙次生含盐泥岩，NaCl含量最低为2.29%，最高55.30%，一般7.45%～13.89%。陈家庄地区、荣炳地区厚度平均为4.09～3.96 m，一般为含盐泥岩，NaCl含量为4.71%～9.90%。

Ⅱ、Ⅲ矿层之间的夹层（ZY2夹层），厚度一般为0.28～4.84 m，平均2.5 m。茅兴地区为0.28～3.30 m，主要为含盐泥岩，有裂隙次生盐，NaCl含量为8.44%～13.95%。陈家庄—荣炳地区厚度为0.70～4.8 m，岩性为泥岩、含盐泥岩，裂隙发育，多被次生盐充填，NaCl含量为2.00%～16.35%。

这两个夹层在特殊处理的两条地震剖面上分布稳定，横向变化清晰。在NE 2945地震测线电阻率参数剖面上南段金11—苏26井呈连续层状分布，北段荣1、颜2井呈不连续间隔分布；在NW 3510线电阻率参数剖面上，茅1井以西为夹层连续分布区，上部夹层分布范围大于下部夹层，茅1井井区及其以东夹层不发育；在自然伽玛剖面上也有相同的表现，不同的是上部夹层在上白塘洼地内厚度最大，向西变薄，反映了夹层岩性由以泥质岩为主，向西变为盐质泥岩或钙芒硝含量增加的特征。

从主要夹层等厚图分析，近物源区、近淡水水流途径的西部倪巷浅洼主要夹层（ZY2＋ZY1）总厚度最大，可达7～8 m，东岗—苏26井的低拱上只有4～5 m，向东在马家庄—西下仗一带厚度增加为5～7 m，靠近直溪桥断裂附近的井庄—观前厚度较薄，仅有1～2 m。

由岩性资料统计，上述夹层主要为盐质泥岩、泥岩和含钙芒硝泥岩，局部见小裂隙并被次生盐充填。由于夹层单层厚度一般在1～3 m，局部最大未见超过5 m者，因此在水溶开采中，这些夹层均难以成为分隔矿层的独立隔层，最终将成为水不溶物沉淀于腔体底部。

2）层内夹层分布及含盐状况

金坛盐矿中，在各盐岩层内均存在一些局部分布的夹层，岩性一般为含钙芒硝泥岩、泥岩、盐质泥岩等。

①第Ⅰ盐岩层内夹层　第Ⅰ盐岩层主要分布在南部茅兴地区，夹层一般为2～8层，平均4.6层，厚度3.4～7.5 m，平均5.14 m，单层最大厚度2.95 m。北部陈家庄地区盐层仅厚7～15 m，夹层一般2～4层，厚度1.43～4.87 m，平均单层厚0.71～1.4 m。夹层含盐量一般为4.6%～22.8%。

②第Ⅱ盐岩层内夹层　第Ⅱ盐岩层全区稳定分布，其中夹层分布也较均匀，除北部荣炳地区夹层分布变化较大，层数1～9层，平均3.8层，厚度1.08～15.2 m，平均5.79 m；其他地区一般2～6层，厚度1.0～8.93 m，平均3.79 m，单层厚度平均0.74～1.69m，最大单层厚度为4.6 m。含盐量最小2.19%，最大19.99%。

③第Ⅲ盐岩层内夹层　该盐岩层内夹层平均3.7层，厚度平均4.42 m。北部的陈家庄—荣炳地区因其盐层较厚，夹层也较多，一般都在2～7层，厚度2.22～10.48 m，平均单层厚度0.97～1.70 m。南部林家边—茅兴地区盐层较薄，其中夹层也较少，一般为1～2层，总厚度0.6～1.5 m，平均单层厚度0.5～1.3 m。含盐量最大37.53%，最小3.29%，一般20%左右。由于单层厚度小，一般均可溶漓形成残渣（见表7.3）。

表7.3　金坛盐矿夹层数据统计表

由上可知，各层层内夹层均不厚，单层一般1～3 m，平均1.6 m，又多为含盐泥岩或含裂隙盐泥岩等。虽然含有的水不溶物较多，一般可达80%～90%，但主要是泥质成分，颗粒较小，水溶开采时都可以溶漓，不会影响建腔。

7.2　溶腔建腔及长期营运地层损失

地表沉陷由地层损失引起，地层损失是地表沉陷产生的必要条件。因此，研究溶腔储库营运期的地表变形情况，必须先弄清楚溶腔建设及营运期导致的地层损失。溶腔储库地层损失主要由两部分组成：一部分是建腔过程中腔体空间形成导致周围岩体（盐岩）较大程度的收敛；另一部分是溶腔建成后营运期由于盐岩的蠕变特性而导致的溶腔体积损失。应用2D-Sink对第一部分地层损失进行分析计算；第二部分底层损失直接引用“金坛盐矿已有溶腔可用性评估研究报告”的计算结果。

7.2.1　建腔过程地层损数值模拟研究

（1）地层条件及力学参数

地质剖面图显示在盐岩层上部和下部均为厚层泥岩，岩层近水平，因此取岩层上部泥岩厚度400 m，下部泥岩厚度100 m，其余上覆岩层的质量转化为有效荷载作用于计算模型上表面。泥岩和盐岩层力学参数见表7.4。

表7.4　计算模型所用的岩石物理和力学参数

（2）模型建立

分别对两种典型溶腔形状建立模型进行数值模拟计算，研究溶腔形成时导致的地层损失。

声呐测试结果可知溶腔基本是轴对称形状，考虑到岩层近水平，因此可以用平面应变模型来进行模拟研究。根据实际地层情况，选取模型为高640m，宽600m的长方形。模型总共由3个地层组成。最底层是100m厚的泥岩，中间是140m厚的盐岩层，上部是400m厚的泥岩层。

模型上边界以上的覆岩质量转化为有效荷载直接加载于上边界；模型左右两边离岩盐开采处很远，开采对其水平位移的影响可以不计，因此，对这两边加上水平方向固定约束；盐岩溶蚀对模型下边界的垂直位移影响可以不计，因此，下边界加上垂直方向固定约束。盐岩溶解过程中，溶腔内有水压，会对溶腔顶板提供一定的支护作用，因此，每一步开挖后在溶腔壁上加上水压。

每个计算模型分3步开挖形成溶腔。根据声呐测井成果选择的两种典型溶腔形状建模分析如下。

①典型溶腔1——东1井　图7.2是东1井的声呐测试结果，图7.3为其简化的剖面形状。这种腔体底部较平，上部为一倒锥体。

图7.2　东1井的声呐测试结果

图7.4是用2D-Sink建立的东1井数值计算模型图。图7.5是溶腔3步开挖过程。

图7.3　东1井的简化剖面图

图7.4　东1井计算模型图

②典型溶腔2——东2井　图7.6为东2井声呐测井成果，图7.7为其简化的剖面形状。这种腔体，上下两部分都是椎体。

图7.8是用2D-Sink建立的东2井数值计算模型图。图7.9是溶腔3步开挖过程。

（3）模拟结果及分析

①典型溶腔1——东1井　计算结果可以得到溶腔周边收敛曲线，将上下边缘收敛曲线重合可以得到因溶腔形成而导致的地层损失剖面图，如图7.10至图7.12所示。

图7.5　东1井3步开挖形成过程

图7.6　东2井声呐测试结果

地层损失空间是一轴对称空间，将剖面图绕对称中心轴旋转一周即可得到。

设地层损失空间边缘缘曲线函数为f（x）（见图7.13），则地层损失空间体积可表示为

数值积分计算结果为V＝576.575 m3。

该溶腔腔体高度为53. 7 m（966. 4～1 020.1 m），最大半径41. 9 m，顶板盐层厚度15.4 m，测算最大容积为130 672.14 m3。地层损失仅占溶腔体积的0.44%，可见溶腔形成过程造成的地层损失很小。

图7.7　东2井简化剖面图

图7.8　东2井计算模型图

图7.9　东2井3步开挖形成过程

②典型溶腔2——东2井　同样计算结果可以得到东2井周边收敛曲线，将上下边缘收敛曲线重合可以得到溶腔成腔过程导致的地层损失剖面图，如图7.14至图7.16所示。

图7.10　东1井上边缘变形曲线

图7.11　东1井下边缘变形曲线

图7.12　东1井成腔过程导致的地层损失剖面图

采用同样的处理方法，设地层损失空间缘曲线函数为f（x）（见图7.17），则地层损失空间体积可表示为

图7.13　东1井地层损失空间边缘曲线

图7.14　东2井上边缘变形曲线

图7.15　东2井溶腔下边缘变形曲线

图7.16　东2井成腔过程导致的地层损失剖面图

图7.17　东2井地层损失空间边缘曲线

数值积分计算结果为V＝1 348.681m3。

该溶腔高度为53.9m（958.4～1 012.3m），最大半径47.1m，顶板盐层厚度19.9m，测算最大容积为235 625.6m3。地层损失近仅占溶腔体积的0.57%，可见溶腔形成造成的地层损失很小。

7.2.2　溶腔储库营运期的地层损失计算

这部分地层损失主要是由于盐岩蠕变特性造成，直接采用了“金坛盐矿已有溶腔可用性评估研究报告”的计算结果。该研究报告应用FLAC-3D对溶腔营运期的变形进行了数值计算，结果如下：

表7.5　东1井不同内压不同时间下体积减小量/%(www.daowen.com)

图7.18　典型溶腔1不同内压下体积减小曲线

表7.6　东2井不同内压不同时间下体积减小量/%

从上面的结果可以看到，两种腔体在运营期间随着时间的增加，地层损失增大，远远大于腔体形成时的地层损失。因此，溶腔稳定运营期的地表沉降主要是由腔体收缩变形引起。

图7.19　东2井不同内压下体积减小曲线

7.3　溶腔储气库运营期地层损失导致地表沉陷预测

溶腔储库运营期的地层损失由两部分组成，一部分为溶腔形成时的内空收敛，另一部分为溶腔营运过程中盐岩蠕变特性导致的内控收敛。下面基于地层损失大小对地表沉陷进行预测。

7.3.1　典型溶腔1——东1井

设溶腔容积在一定时间内由V0收敛为V1，容积损失率为ρ，则

ρ＝V1/V0

设溶腔边界总收敛值为Δr。

溶腔容积可以看成是两个圆锥和1个圆台的体积（见图7.20），则

图7.20　东1井溶腔剖面图及收缩变形图

用内压6 MPa，20年容积损失19.3%进行计算，参数r1＝40m，r2＝33.5 m，h＝20m，h1＝2 m，h2＝36 m，ρ＝0.193。将这些参数代入式（7.3）和式（7.4）中可解得

Δr＝2.657 m

地表下沉由分层专递模型计算式（5.64），积分空间为V1-V0，即式（5.64）中i、j、k为整数，满足于点在空间V1-V0内，如图7.20中充填部分。

上覆岩层参数如表7.7所示。

表7.7　计算模型所用的岩石物理力学参数

将表7.7的岩层参数输入计算软件，可得到每层岩层预测参数（见表7.8）。

表7.8　各岩层的预测参数

最上一层岩层的地表移动系数：bx＝by＝0.349 6。

图7.21、图7.22是东1井20年收缩变形导致的地表下沉和45°方向水平变形等值线图。可见地表下沉最大值为0.316 m，水平变形最大值为0.137，整个地表变形波及范围半径为350 m。

7.3.2　典型溶腔2——东2井

设溶腔容积在一定时间内由V0收敛为V1，容积损失率为ρ，则

ρ＝V1/V0

图7.21　东1井20年收缩导致的地表下沉等值线图

图7.22　东1井20年收缩导致的地表45°方向水平变形等值线图

设溶腔边界总收敛值为Δr。

溶腔容积可以看成是两个圆锥和1个圆台的体积（见图7.23），那么

用内压6 MPa，20年容积损失18.78%进行计算，r1＝40 m，r2＝33.5 m，h＝20 m，h1＝2 m，h2＝36 m，ρ＝0.188。代入式（7.5）、式（7.6）可解得

图7.23　东2井溶腔剖面图及收缩变形图

Δr＝3.171 m

地表下沉用分层传递模型进行计算式（5.64），积分空间为V1-V0，即式（5.64）中i、j、k为整数，满足于点在空间V1-V0内，如图7.23中充填部分。

上覆岩层参数参见表7.7。模型预测结果如下：

图7.24、图7.25分别为东2井20年收缩导致的地表下沉和45°方向水平变形等值线图，其中最大地表下沉量值为0.523 m，最大水平变形量为0.220，整个地表变形波及范围半径为360 m。

图7.24　东2井20年收缩导致的地表下沉等值线图

由于东2井的容积较东1井大，因此其20年收缩导致的地表变形量也大于东1井。

图7.25　东2井20年收缩导致的地表45°方向水平变形等值线图

7.4　单溶腔储库破坏失稳导致地表沉陷预测

溶腔容积较大，如果失稳可能会导致严重的地表沉陷，本节对这种情况下单溶腔失稳可能导致的地表沉陷进行预测。

7.4.1　典型溶腔1——东1井

应用分层传递三维模型进行计算，地表下沉计算式为式（5. 64），积分空间为V（见图7.26），即式（5.64）中i、j、k为整数，满足于点在空间V内。

上覆岩层参数参见表7.7。模型预测结果如下：

图7.26　东1井剖面图

图7.27、图7.28分别为东1井破坏失稳导致的地表下沉和45°方向水平变形等值线图，其中最大地表下沉量值为1.738 m，最大水平变形量为0.712，整个地表变形波及范围半径为380 m。

7.4.2　典型溶腔2——东2井

应用分层传递三维模型进行计算，地表下沉计算式为式（5.64），积分空间为V（见图7.29），即式（5.64）中i、j、k为整数，满足于点在空间V内。

图7.27　东1井破坏失稳导致的地表下沉等值线图

图7.28　东1井破坏失稳导致地表45°方向水平变形等值线图

图7.29　东2井腔剖面图

上覆岩层参数如表7.7所示。

模型预测结果如下：图7.30、图7.31分别为东2井破坏失稳导致的地表下沉和水平变形等值线图，其中最大地表下沉量值为3.041 m，最大水平变形量为1.295，整个地表变形波及范围半径为400 m。

由于东2井的容积较东1井大，因此其破坏失稳导致的地表变形量也大于东1井。

图7.30　东2井破坏失稳导致的地表下沉等值线图

图7.31　东2井破坏失稳导致的地表水平变形等值线图

7.5　多溶腔油气储库地表沉陷预测

矿区内分布多个溶腔，大家互相影响，下面分别对多溶腔20年收缩和破坏失稳导致的地表沉陷进行预测。4口井分别是东1、东2、岗1和岗2井，其平面位置图如图7.32所示。以点（4 044＋5 239，35＋23 506）为中心坐标点，则4井的坐标分别为：岗1：（- 92.73，-15.91）；岗2：（-4.99，-72.95）；东2：（93.49，-24.19）；东1：（24.03，73.6）。4口井的基本数据见表7.9。

图7.32　4口腔体平面位置图

表7.9　东1、东2、岗1、岗2腔体基本数据表

东1、东2的腔体声呐测试及简化剖面图分别见图7.2、图7.3、图7.6和图7.7。

图7.33为岗1井声呐测井成果，图7.34为其简化的剖面形状。

图7.33　岗1腔体声呐测试结果

图7.34　岗1井简化剖面图

图7.35为岗2井声呐测井成果，图7.36为其简化的剖面形状。

7.5.1　4溶腔20年收缩变形导致的地表沉陷预测

应用多溶腔地表沉陷预测模型式（5.65）—式（5.69）进行计算，上覆岩层参数参见表7.7。将溶腔参数及上覆岩层参数输入计算软件，计算结果如下。

图7.35　岗2井声呐测试结果

图7.36　岗2井简化剖面图

图7.37　4溶腔20年收缩变形导致的地表下沉等值线图

图7.37、图7.38分别为4溶腔20年收缩变形导致的地表下沉和水平变形等值线图，其中最大地表下沉量值为1.153 m，最大水平变形量为0.417，整个地表变形波及范围为东西长900 m，南北宽870 m。

图7.38　4溶腔20年收缩变形导致的地表水平变形等值线图

多溶腔相互影响下，其20年收缩导致的地表变形较单溶腔大很多。

7.5.2　4溶腔破坏失稳导致的地表沉陷

应用多溶腔地表沉陷预测模型式（5.65）—式（5.69）进行计算，上覆岩层参数参见表7.7。将溶腔参数及上覆岩层参数输入计算软件，计算结果如下。

图7.39　4溶腔破坏失稳导致地表下沉等值线图

图7.39、图7.40分别为4溶腔破坏失稳导致的地表下沉和水平变形等值线图，其中最大地表下沉量值为6.791 m，最大水平变形量为2.473，整个地表变形波及范围为东西长990 m，南北宽930 m。

多溶腔相互影响下，其破坏失稳导致的地表变形较单溶腔大很多。

图7.40　4溶腔破坏失稳导致地表水平变形等值线图

7.6　溶腔储库地表沉陷动态预测

应用动态预测模型W（t）＝W0（1- e-ct）对溶腔油气储库地表沉陷进行动态预测。从预测模型可知，动态预测的关键是时间影响因素c的确定。前几节的计算得到了地表20年的下沉量W（20），和地表最终下沉量W0，因此可解得相应的c值。

7.6.1　单井——东1井地表动态预测

东1井地表最终下沉最大值为1.738 m，20年地表下沉最大值为0.316 m，代入动态预测公式可解得时间影响因素：c＝0.010 0。

东1井地表动态变形计算公式为

更换地表不同点的下沉值W0（x，y），可以得到该点（x，y）的动态预测曲线。

图7.41为东1井地表最大下沉点（0，0）的动态变形曲线图。

7.6.2　单井——东2井地表动态预测

东2井地表最终下沉最大值为3.041 m，20年地表下沉最大值为0.523 m，代入动态预测公式可解得时间影响因素：c＝0.009 3。

东2井地表动态变形计算公式为：

更换地表不同点的下沉值W0（x，y），可以得到该点（x，y）的动态预测曲线。

图7.42为东2井地表最大下沉点（0，0）的动态变形曲线图。

图7.41　东1井地表下沉最大值点的动态变化曲线

图7.42　东2井地表下沉最大值点的动态变化曲线

7.6.3　多溶腔油气储库共同作用的地表动态预测

东1、东2、岗1、岗2井共同作用下地表最终下沉最大值为6.791 m，20年地表下沉最大值为1.153 m，代入动态预测公式可解得时间影响因素：c＝0.009 4。

东1、东2、岗1、岗2井共同作用下地表动态变形计算公式为

更换地表不同点的下沉值W0（x，y），可以得到该点（x，y）的动态预测曲线。

图7.43为东1、东2、岗1、岗2井共同作用下地表最大下沉点（0，0）的动态变形曲线图。

上面的计算结果可见单井作用下和多井共同作用下的时间影响因素c基本一致，表明预测模型是准确的。

图7.43　东1、东2、岗1、岗2井共同作用地表下沉最大值点的动态变化曲线

至此，得到了整个片区的地表动态变形情况。