湖北云应盐矿深部层状盐岩直剪试验研究

为了解湖北云应盐矿深部层状盐岩,特别是盐岩和硬石膏夹层界面的抗剪性能,开展3类典型岩体的直剪试验。试验结果表明:层状盐岩界面和盐岩、硬石膏的剪切应力–位移曲线较为相似,加载初期曲线的斜率较小,剪应力增加缓慢而位移增加较快;当剪应力达到某一数值后,剪切位移增加变得缓慢,曲线斜率变大;快达到峰值强度时曲线斜率再逐渐由陡变缓;达到峰值强度后出现软化,剪应力随位移的增加逐渐达到残余强度,从峰值强度到残余强度过程中,相对而言,层状岩石交界面的剪应力下降得比较快。试验结果还表明:盐岩硬石膏交界层面处的抗剪强度参数c,?值分别为4.08 MPa和45.9°,和盐岩试样和硬石膏试样的强度参数相差并不大,甚至还略强。这说明湖北省云应盐矿深部层状盐岩中盐岩和硬石膏夹层的交界层面具有较强的粘结力,不是一个弱面,这将有利于盐岩溶腔的密闭性和稳定性。层状盐岩的这一特殊力学特性对于在深部层状盐岩构造中开展能源储备是非常有利的。     

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。     

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。     

金坛盐矿工程地质特性研究

在盐矿地层中建造地下油气储库群,是国际上广泛采用的能源储备方式。为了论证在金坛深部盐岩地层中建造大型储气库的可行性,针对金坛盐岩的区域地质构造特性和层状盐岩赋存特性,开展了相关物探和地质特性研究工作。研究结论如下:(1)金坛盐盆的沉积构造边界受周围几条断层控制,但这些断层如今已不活动,属于压性断层,密闭性较好;(2)区域内盐岩层主要分布于始新统阜宁组四段,呈盐岩与非盐夹层韵律分布,水平构造、向四周渐趋尖灭,厚度达68~231m,盐质较佳,储库潜力十分巨大;(3)盐层上覆盖层和下伏底板均为封闭性能较好的泥岩、石膏岩等致密岩层构成,有利于拟建储气库的密封性。综上可知:金坛盐盆的区域封闭性和稳定性极为良好,可作为储气库建造的较好备选场址。     

基于界面黏结–滑移模型的等间距破裂层状岩体裂隙间距分析

等间距破裂是层状岩体中常见的一种地质现象，如何合理预测裂隙间距，对岩体的稳定性分析具有重要的理论及工程意义。考虑层状岩体界面剪应力在滑移过程中的应力软化现象，基于界面的三线式黏结–滑移本构关系，推导岩层界面处于不同黏结状态下破裂岩层内拉应力和的岩层界面剪应力解析表达式；建立考虑覆岩压力的岩体拉伸破坏准则并给出等间距破裂岩体的裂隙间距计算公式；通过有限元数值计算和现场实测数据验证所提出理论计算公式的可行性；并进一步分析影响层状岩体中裂隙间距的主要因素。结果表明建立的黏结–软化–滑移解析模型可用于分析岩体界面处于黏结、部分滑移、应力软化及完全滑移等不同状态下的裂隙间距计算。     

废弃盐穴地下储气库稳定性研究

国际上公认盐岩体是地下能源（石油、天然气）储存最理想的介质，作为储气库的盐岩溶腔，一般都是根据设计要求通过水溶开采形成。目前，国内外鲜见利用地下废弃盐岩溶腔作为天然气储气库的先例。通过对ABAQUS有限元的二次开发，对某废弃盐岩溶腔的储气库围岩和岩柱的蠕变变形规律及腔顶蠕变损伤区的范围进行数值模拟，并对废弃溶腔作为储气库时的工作压力和储库套管鞋高度设计作了有益的探讨，这对指导工程实践具有一定的指导意义。     

基于盐岩压缩–扩容边界理论的盐岩储气库密闭性分析研究

 根据我国深部盐岩层中天然气储备的可行性研究,针对盐岩储气库密闭性分析开展试验研究和理论分析。首先对盐岩的压缩–扩容边界理论进行分析,根据应城纯盐岩的三轴压缩试验结果,建议采用双曲线函数拟合盐岩的压缩–扩容边界(CDB),对比不同研究者的试验结果表明,所提议的双曲线型较通常采用的抛物线型具有更好的适用性。在分析盐岩的CDB在主应力空间表达式的基础上,给出盐岩扩容接近度(DAI)的定义和表达式,提出采用基于盐岩的压缩–扩容边界理论来分析盐岩储气库的密闭性,并给出相应的算例。     

极端风险因素影响的深部层状盐岩地下储气库群运营稳定三维流变模型试验研究

盐岩因其非常低的渗透特性与良好的蠕变行为被公认为能源储备最理想的介质。为有效反映不同采气速率、注气速率、运行低压、运行高压、储库失压、储气压差以及储库间距等极端风险因素对盐岩地下储气库群运营安全稳定的影响,采用满足流变相似条件的盐岩储气库介质模型相似材料,对江苏金坛深部层状盐岩地下储气库群的运营稳定进行三维流变地质模型试验。试验结果表明：(1) 洞腔径向位移和径向应变随着注、采气速率的增加而逐渐增大;(2) 洞腔随储气内压的减小而不断向洞内收敛变形,随储气内压的增大而不断向洞外扩张变形,当储库采气降压到3 MPa或注气升压到22 MPa时,洞腔出现加速蠕变现象;(3) 相邻洞腔位移随着储气压差的增加而增大,当储气压差达到9 MPa时,洞腔出现加速蠕变现象;(4) 储库群之间存在明显的相互影响,洞腔位移随着储库间距的减小而增大;(5) 当盐腔突然失压时,洞周径向位移和径向应变瞬间突然增大。因此,为保证盐岩地下储气库群的安全运营,建议储气库群的最大采气速率应小于0.65 MPa/d,最大注气速率应小于0.75 MPa/d;储气库群的最低运行气压应大于3 MPa,最高运行气压应小于22 MPa;相邻储气库间的最大储气压差应小于9 MPa;储气库之间的间距应大于1.5倍储库最大直径。这些研究成果可为盐岩地下储气库群的运营安全控制与管理提供重要的试验依据。     

层状盐岩能源储库典型夹层渗透特性及其密闭性能研究

 夹层的渗透率是深部层状盐岩中能源储库密闭性评价的关键参数。针对我国深部层状盐岩中常见的3种典型夹层,采用稳态气测法测试了渗透率并给出密闭性分析结果。研究指出：(1) 3类典型夹层的低渗特征明显,渗透率均为10－2～10－5 mD;但各盐矿区的夹层岩性及地质条件差别较大,导致渗透率出现较明显差异,其中以平顶山硬石膏泥岩的渗透率最低、渗透率变化范围居中;金坛灰质泥岩渗透率次之、变化范围却最大;而淮安含盐泥岩渗透率最高、变化范围最小。(2) 静水压力对渗透率的影响极为显著,具体表现为静水压力越大渗透率越低;存在某一“压密临界压力”,当静水压力位于该值前渗透率随静水压力增大而急剧下降(下降1～2个数量级),超过该值后渗透率降低很小并渐趋于平缓;静水压力与渗透率基本满足 (K为渗透率;P为静水压力;A,B为拟合参数)的拟合关系。(3) 渗透率随静水压力变化的内在机制是测试岩心具有可压缩性,但压缩效果随压力增大逐渐减小,到一定程度后增加压力也无法使岩体进一步压密,从而导致渗透率渐趋于恒定。以上研究表明,中国层状盐岩的典型夹层均具有较低的渗透率,可基本满足能源储库的密闭性要求。     

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。     

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.     

含夹层盐岩渗透特性及其细观结构特征

 由于盐岩具有极低渗透率,因此很多国家将盐岩作为能源和高放废物储存库的首选储库介质。选取湖北云应盐矿层状盐岩,对20个标准试样(f 25 mm×50 mm)进行渗透特性测试以及CT扫描试验。试验结果表明,盐岩的孔隙度普遍低于0.25%;且渗透率极低,为10－16～10－18 m2,从总体趋势上看,渗透率随着围压的增大而减小。进一步通过工业CT试验,揭示了盐岩极低渗透率在细观结构方面的原因。发现层状盐岩的细观结构极其致密,其中纯盐岩仅含少量微孔洞和微裂隙,而夹层几乎不存在缺陷,因此对气体渗透具有明显的屏蔽作用;且在围压和渗流作用下,盐岩因细观结构演化致使渗透性能发生较大改变,渗透率随围压的变化趋势与孔隙度变化趋势一致。     

两种不同沉积类型界面盐岩力学特性试验研究

 金坛含盐系为一套浅湖相–泻湖相–蒸发岩相成盐构造,由机械沉积与化学沉积作用共同形成;潜江含盐系湖盆环境为常年性较深水分层盐湖,主要在深水、缺氧、静水环境下以机械沉积形成,因此2种沉积类型界面并不相同。针对2种不同沉积类型界面盐岩,分别进行单轴、三轴压缩及剪切试验研究,深入分析试验过程中盐岩力学特征变化情况及其力学含义,同时对试样破坏特性进行对比分析。研究发现：2种界面盐岩试样都表现出较好的延性特征,未发生崩溃式破坏;裂纹集中分布于界面处,纯盐岩段均少见裂纹生成,与金坛盐岩试样相比,潜江盐岩界面对试样变形的限制作用更突出;2种界面盐岩试样剪切峰值应力与纯盐岩相当,说明界面剪切破坏由盐岩的力学特性决定。研究成果对进一步深入研究我国不同地域层状盐岩地下储气库选址与建设具有一定参考意义。     

不同腔形下盐岩储库区地表最大变形预计新方法

众多已有盐穴地下储库群地面沉降监测数据和灾变实例表明盐穴储库群地面变形预测与控制是保证储库长期安全稳性运营的关键问题之一。中国盐岩地层盐层薄、成层分布的特点加剧了库区地表发生沉陷的灾变程度,直接影响到中国盐穴地下能源储备的安全。采用 Gaussian 曲线表示沉降分布,结合腔体收敛函数,建立了一套有别于概率积分法的地表变形预测理论—传递函数法。在此基础上,结合中国盐岩地层特点,对比计算了相同体积下椭球形、梨形与圆柱形溶腔在发生腔体完全收敛时所导致的地表最大变形量,并利用迭加原理对不同腔群分布形式、不同腔体间距下库区地表最大沉降进行了比较。研究认为,当单腔发生完全收敛时椭圆形腔体造成的地面沉降量最小,圆柱形最大;而库群对比计算结果表明腔体中心间距的增加将导致最优腔形的变化,并非椭圆形腔体始终最优。研究成果为中国油气储库建设中库区地表变形预测、腔体形状和布局优化以及相关规范的制定等方面提供了理论依据。     

盐穴储气库腔体收缩风险影响因素的敏感性分析

 如何有效减少盐穴储气库在运营过程中的有效体积损失以延长储气库的使用寿命是运营和管理部门非常关心的问题。从宏观角度分析腔体的地层、设计和运行各参数对我国盐穴储气库腔体收缩风险的影响,归纳出7个可能影响因素并分别对其影响趋势进行预测,然后采用单因素敏感性分析方法,通过数值模拟计算结果的对比分析得到这7个可能影响因素对腔体体积收缩率的敏感度系数,并基于运行工况因素的敏感性系数值,提出盐穴储气库在运营过程中运行工况发生变化时腔体年体积收缩率的预测方法。结果表明除了盐岩本身的蠕变特性参数,从宏观角度分析,相邻腔体运行模式、单周期内低压运行时间比例和腔体高径比是盐穴储气库腔体收缩风险的敏感因素。因此,在腔体的建设和运营过程中,采用邻近腔体同采同注的运行模式,尽量减少低压运行时间,同时合理控制腔体的成腔形状,可以有效控制腔体的体积收缩变形。