含夹层盐岩地下储气库极限运行压力数值模拟研究

确定盐岩储气库极限运行压力能够有效利用储气库的库容,提高注采频率,以及保证储气库腔体致密和运行安全,因此研究盐岩储气库极限运行压力对能源储备具有重要意义。以剪切型Mohr-Coulomb破坏准则为基础,建立了考虑拉伸强度的修正Mohr-Coulomb模型,提出了盐岩储气库极限运行压力判别方法,并采用有限元法对某盐岩地下储气库进行一系列数值模拟,探讨了含泥岩夹层盐岩地下储气库极限运行压力及其破坏机理。结果表明:使用不同破坏准则对盐岩储气库上限运行压力的影响较大,与理论解比较相差约10%;抗拉强度的减小和夹层材料参数的变弱均会使盐岩储气库上限运行压力变小;盐岩地下储气库的下限运行压力与夹层的弹性模量、泊松比和内摩擦角呈负相关关系。     

层状盐岩溶腔储气库长期运行稳定性研究

针对我国盐岩矿床地质结构的典型特征:单层厚度薄、软弱夹层多,盐岩夹层对储气库的建造及稳定性具有很大影响,提出了层状盐岩溶腔储气库稳定性研究内容,并运用块裂介质固流耦合数值模拟方法对其影响作了进一步分析.主要结论如下:(1)层状盐岩矿床储气库建造中必然会受到高盐份泥岩夹层的影响.夹层的存在使腔体的稳定性减弱,延缓了腔体内流体的输运、对流扩散过程,增加了建腔的时间,盐岩与盐岩夹层由于蠕变率不同而造成损伤,形成裂隙气体渗漏.(2)高盐份泥岩夹层对储气库的稳定性影响很大,由弹塑性数值模拟可知,运行气压为8-24MPa,形状为椭球腔,且长短轴为7/4时结构最稳定.(3)盐岩夹层对储气库的渗透性具有一定影响.蠕变损伤在盐岩与夹层交接面处产生的裂隙是气体渗透的主通道,具有较强的导气能力,但渗透速度随着时间的延长而减小,最后达到稳定状态,且最外缘气体压力始终低于0.2MPa,从考虑气体渗透的角度,在层状盐岩矿床内建造储气库是可行的.所得结论可为我国薄盐岩矿床内建造储气库提供一定的参考依据.     

含夹层盐岩储气库气体渗透规律研究

 盐岩储气库气体密封性能是储气库的一项重要技术和安全指标,层状盐岩储气库极可能会使天然气沿着岩层逃逸,造成天然气的外部渗漏。含软弱夹层盐岩储气库的气体渗透机制十分复杂,含软弱夹层的渗流力学模型与数值计算方法是解决评估储气库气体渗透范围的关键。考虑夹层与盐岩层之间存在层面,假设软弱夹层和盐岩为多孔介质,建立了等效边界气体渗流模型,该模型既克服了等效介质模型不能正确反映层理面渗流问题,又克服了双孔双渗裂隙介质模型计算量大的缺点。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 a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。研究结果为含夹层废弃盐腔储气库的设计和合理注采参数的确定提供了科学依据。     

厚壁圆球的蠕变计算

采用一系列理论推导的方法,对地下储气库盐岩蠕变特性进行了一般推导,并得到了相关公式,为盐岩地下储气库在运营期间的长期稳定性研究提供了思路。     

基于可靠度方法的盐岩地下储气库腔体收缩风险分析

由于腔体收缩导致的储气库可用体积减少是盐岩地下储气库在运营阶段的常见风险类型之一,严重时会造成腔体围岩破损甚至坍塌破坏,引发重大事故灾害。针对盐岩地下储气库在运营过程中可能发生的腔体收缩事故,通过力学分析推导出无限、理想盐岩体中恒定内压下球形腔体在盐岩稳态蠕变阶段的体积收缩率公式,并结合腔体收缩风险的分级标准建立盐岩介质中球形腔体的体积收缩的极限状态方程;然后通过可靠度分析法计算各参数为正态随机分布时腔体收缩各级风险的发生概率,分析地应力与腔体内压差值与各级风险发生概率之间的变化规律;最后讨论若将围岩的弹性变形、初始蠕变变形以及加速蠕变变形考虑在内时对计算结果的影响,为我国盐岩储气库的运营管理提供理论参考。     

层状盐岩储气库物理力学特性与极限运行压力

分析研究层状盐岩中盐岩与夹层的孔隙率与渗透率,指出在未遭受变形破坏条件下,盐岩及其夹层本质致密,不会对储气库安全造成影响.但是,对盐岩与夹层的单轴和三轴力学特性、长期蠕变性进行实验研究与理论分析认为,盐岩与夹层间存在的力学特性差异及变形不协调,会造成2种岩性交界处的剪切破坏,影响储库安全性.在此基础上,提出层状盐岩储气库极限运行压力确定原则,包括顶板稳定、蠕变控制、腔体致密及裸井致密等,并结合实例进行分析研究.所得结果对我国层状盐岩中天然气储库的建造与运行具有一定指导意义及应用价值.     

金坛层状盐岩的基本力学特性

拟在江苏金坛深部盐岩地层中开展战略能源储备建设工作。地层的力学特性是开展造腔方案设计、稳定性评价等的基础。基于此,针对所取层状盐岩系统开展了单轴、三轴、直剪和劈裂试验。通过试验研究表明:(1)金坛盐岩属于典型软岩,单轴仍以脆性劈裂为主,三轴压缩下强度大大提高,塑性变形能力大大增强,适合储气库的变形要求;(2)夹层的存在提高了盐岩强度,对盐岩具有加紧作用,有利于腔体稳定性;(3)界面的强度与盐岩和夹层相当,不是一个弱面,有利于维持储气库的稳定性和密闭性。研究结果为金坛储气库的建设提供了重要依据。     

盐岩储气库寿命预测的马尔可夫模型研究

盐岩地下储气库因其良好的使用功能,愈发被世界各国所采用,因此,对盐岩储气库运营期的风险分析与寿命预测具有重要的理论意义和工程应用价值。客观存在的诸多不确定性因素导致很难采用确定性方法对其进行研究。马尔可夫概率预测模型能够以概率的形式反映出系统的不确定性,因而计算结果更为客观、可靠。将马尔可夫理论引入到盐岩地下储气库风险分析与寿命预测中,以国内某盐岩地下储气库为例,建立其马尔可夫模型,基于随机力学的方法,通过数值模拟计算及可靠性分析得出了储气库运行状态转移概率矩阵;利用转移概率矩阵,并根据马尔可夫模型中的吸收状态和平均吸收时间的概念对储气库进行寿命预测,取得了较好的预测效果。     

不同储气内压下盐岩地下储气库可靠性分析

目前我国已经开始大规模兴建盐岩能源地下储库群,客观存在的不确定性因素使得盐岩地下储气库不可避免地存在风险,因此开展盐岩地下油气储库风险分析研究具有重要的理论意义和工程应用价值.本文探索基于可靠度的随机力学方法在盐岩地下储气库工程中的应用,以金坛盐岩地下储气库为研究对象,基于可靠度随机力学分析方法对盐岩地下储气库的可靠性...     

循环载荷作用下盐岩力学特性响应研究

 通过模拟储气库运行围岩受载情况,对层状盐岩储气库围岩中常见盐岩及含夹层盐岩进行应力水平不断提高的反复加卸载试验研究。试验结果表明：与单调加载相比,循环载荷下芒硝试样强度明显降低;含钙质泥岩夹层芒硝的强度高于纯芒硝,但由于受夹层的影响,峰值点对应应变低于纯芒硝。与其他岩石明显不同,在初期阶段,盐岩试样循环加卸载曲线基本呈线性并重叠,随应力水平及循环次数的提高,滞回环现象有轻微表现,但面积很小。后期卸载过程中盐岩的杨氏模量略高于加载过程,除卸载过程弹性变形恢复滞后外,还受加载过程中耦合的塑性变形因素影响。由于钙质泥岩夹层的变形能力相对较弱,含夹层芒硝的杨氏模量稍高于芒硝,同时,在反复循环卸载过程中的变形恢复也大于纯盐岩。总体上看,盐岩在加卸载过程中杨氏模量基本不随应力水平及加卸载次数的变化而变化。同时,即使进入屈服破坏阶段,也没有出现一般岩土材料加卸载杨氏模量随屈服应力降低而降低的现象。根据能量观点分析,循环载荷作用下强度降低幅度与循环次数及累积滞回环面积相关。本次试验中,5个试样循环加卸载作用过程中,加卸载曲线几乎重合,滞回环很小,因而强度降幅也很小。据此推断,在储气库反复加卸载运行过程中,围岩强度基本不会受循环次数的影响;但大幅度的压力波动有可能产生能量累积,从而影响其强度与寿命。     

蠕变作用下层状盐岩界面剪切应力变化规律研究

层状盐岩储气库在长期运行期间,盐岩层与泥岩夹层两种不同岩石材料会因较大的蠕变差异引起变形不协调,在交界面产生剪切应力导致界面滑移破损,使油气沿着界面破损通道泄漏。结合我国在层状盐岩地质构造中建设能源储库的实际情况,通过对湖北云应地区层状盐岩中的盐岩和泥岩夹层的三轴蠕变试验表明,盐岩蠕变率比泥岩蠕变率至少大一个数量级。建立蠕变本构模型,对储库长期运行期内层状盐岩界面剪切应力的分布和变化规律进行数值分析,并讨论了盐岩稳态蠕变率不同时,界面层间剪切应力的变化情况。研究结果表明,界面层间剪切应力集中分布在靠近腔体的小段范围内,其后层间剪切应力迅速降低,且随着蠕变时间的增加,层间剪切应力增加的越来越快;盐岩的蠕变特性越好,层间剪切应力越大,当界面剪切应力达到界面抗剪强度时,就会发生破坏。蠕变试验和数值模拟结果,对于层状盐岩渗漏稳定性和密闭性研究具有重要指导意义。     

含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变特性研究

含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变特性是油气储库稳定性的关键问题所在.通过对湖北应城含高盐份泥岩夹层的盐岩160天的单轴压缩蠕变实验研究,可知湖北应城含高盐份泥岩夹层的盐岩具有良好的蠕变特性,且纯盐岩蠕变应变高于泥岩夹层,横向应变大于泥岩夹层.根据试验结果,分析了含高盐份泥岩夹层的盐岩的蠕变曲线特征,建立了含高盐份泥岩夹层的盐岩的蠕变理论模型,获得了含高盐份泥岩夹层的盐岩的粘弹塑性本构方程,并拟合了参数,为我国含高盐份泥岩夹层的盐岩矿床油气储库的稳定性分析提供了依据.     

岩盐地下油气储库群稳定分析及连锁破坏的地质力学模型试验

层状盐岩中油气储库群的整体稳定及其连锁破坏机制的研究对油气储库的安全运行有着及其重要的意义。采用小块体和低强度黏接剂建立地下储库的地质力学模型,以小块体来模拟岩体的变形特性,块体之间的低强度黏接剂模拟岩体的强度特性。泥岩夹层采用脱水石膏薄片模拟。模拟四洞室储库群在不同压强下的注采循环过程。通过埋设在模型内部的位移计和应变片自动跟踪监测洞室群及基础的位移和应变随注采压强的变化规律,研究采气方式、内压大小和泥岩夹层对储库群整体稳定性的影响。结果表明,单溶腔采注气对洞室群稳定性和连锁破坏有显著影响,泥岩夹层对洞群稳定影响很小。     

含夹层盐岩双重介质耦合损伤模型研究

针对中国地下油气储库建设中所出现的含夹层盐岩问题,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,建立含夹层盐岩双重介质耦合损伤模型。该模型克服了等效连续介质模型不能正确反映地层界面的渗流问题,又克服了双重介质模型不能考虑地层界面开裂问题。在此基础上,采用数值模拟技术,研究高压流体在泥岩夹层与盐岩的界面渗透及其开裂扩展特征,结果表明,高压流体沿腔体围岩渗漏过程中,含夹层盐岩界面呈扇形状张开,沿界面通道流体压力逐步降低。因此,在层状盐岩储库运营过程中,要严格控制腔体压力,避免在含夹层盐岩分层界面上产生油气渗漏,保持腔体的致密性及稳定性。     

三轴压缩下层状盐岩体细观损伤本构模型

基于层状盐岩体的结构特征,引入已有细观损伤本构模型描述盐岩相的响应特性,运用混合物理论推导得到适合于描述层状盐岩体在三轴压缩过程中损伤演化特性的层状盐岩体细观损伤本构模型,对云应层状盐岩三轴压缩进行计算,分析围压对盐岩所受等效附加侧向应力的影响。计算结果表明,该模型能较好地描述试验现象,其结果对深部盐岩油地下储存和层状盐岩体内的油(气)储库的稳定性分析具有重要意义。     

含软弱夹层盐岩型盐力学特性试验研究

 为研究不同夹层特征对含软弱夹层盐岩力学特性的影响规律,在现场取芯不易获得试样的情况下,采用压制型盐的办法制备出具有规则夹层特征的层状盐岩型盐,然后对其进行单轴及三轴压缩试验。试验结果表明,当夹层的厚度比和夹层的分布特征发生规则变化时,含软弱夹层盐岩型盐的强度、弹性模量、泊松比等力学参数及型盐体的变形和破损特征均发生一定规律性的变动。得到的结论如下：(1) 含软弱夹层盐岩型盐的单轴抗压强度和弹性模量均随着夹层厚度比的增加而呈现下降趋势。(2) 夹层厚度比一定时,3层夹层型盐的强度高于1和2层夹层型盐;而多夹层型盐随着夹层层间距的增加,其强度和弹性模量逐渐减小,但减小趋势变缓。(3) 强度低的夹层部分径向应变大于强度高的纯盐层,破坏面总是始于强度高的纯盐层。试验结果为在室内开展层状盐岩地下储库的稳定性分析提供一种新方法。     

三轴低频循环荷载下盐岩体积应变特性研究

地下储气库围岩长期处于复杂疲劳应力状态下,盐岩三轴循环荷载下的变形规律对储气库稳定性分析有参考价值。对8个盐岩试块进行了不同围压、不同应力水平和不同频率条件下的循环荷载试验。对每一试块施加恒定围压和轴向低频循环荷载。对试验参数进行了无量纲处理,分析了应力比强度(广义剪应力强度与球应力的比值)、应力比振幅、上限应力水平、荷载频率、循环次数(N)等对体积应变(?v)的影响。利用函数?v=?lg N+?v0,对每一试块的体积应变–循环次数曲线进行了拟合分析,获得了参数?和?v0随应力比振幅、上限应力水平和频率变化的数学表达式。标准化回归系数分析表明,上限应力水平是影响盐岩体积变形的主要因素,其次是应力比振幅。在高上限应力水平三轴状态下,盐岩主要表现出体积扩大现象。     

泥岩夹层对盐岩变形和破损特征的影响分析

针对我国大多数盐矿的多层盐岩地质构造特征，对含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行单轴压缩和不同围压下三轴压缩试验研究，对比分析3种试样的变形和破坏特性。试验结果表明：泥岩夹层对盐岩体的变形和破坏特性有明显的影响，强度高于盐岩的泥岩夹层却先于盐岩出现横向拉伸破坏；此外还观察到应力-应变曲线的“应力跌落”现象。针对试验结果，利用Cosserat介质扩展理论对泥岩夹层的影响进行理论分析。分析结果表明，泥岩和盐岩力学特性上的不匹配导致二者界面附近泥岩体等效受到横向拉伸应力作用，这很好地解释试验结果，这一分析结果可对进一步进行层状盐岩体内油（气）储库洞室稳定性分析提供理论基础。