层状盐岩地下储气库运行压力设定方法研究

盐岩地下储气库运行压力的设定不仅关乎其长期稳定性和密闭性,还影响储气规模和调峰能力,因此,确定运行压力区间对盐穴大规模储能具有重要的工程意义。以保障储库长期安全性为基本原则,总结、归纳以密闭性和稳定性为主控影响因素的上、下限运行压力设定准则,进而为运行压力设定提供依据。基于盐岩储气库围岩与存储介质之间的相互作用机制和运行压力设定准则,建立考虑损伤和渗透演化的流–固耦合分析模型,通过数值开发将其应用至金坛某实际盐岩储气库的密闭性和稳定性同步分析中,探讨储库围岩损伤和渗透率演化规律及影响因素,确定目标储库的几个关键设计参数,如运行压力区间、矿柱宽度、顶板厚度等。研究结果表明：运行压力对盐岩储气库的渗漏范围和蠕变收缩率的影响是截然相反的,其中,渗漏范围与运行压力呈正相关的幂函数关系,蠕变收缩率与运行压力呈负相关的指数函数关系,密闭性控制着储库上限压力,稳定性控制着储库下限运行压力。围岩损伤演化主要受应力水平和岩石变形性质影响,渗透率演化取决于有效平均应力和塑性损伤的竞争结果,只有当塑性损伤占主导影响时才可能诱发渗透率激增现象。考虑渗透参数演化比不考虑参数演化得到的气体渗漏范围大约5%,该影响...     

基于强度折减法的盐岩地下储库腔群安全稳定性研究

将强度折减理论引入到盐岩地下储气库库群的安全稳定性研究中,提出库群失效破坏的临界标准。静力分析以塑性区贯通作为失效破坏临界判据,长期流变分析中失效破坏的临界判据包括塑性区贯通以及腔体体积收缩达到极限值。腔群整体安全系数计算通过搜索折减系数F,将岩体力学强度参数按F进行折减,使模型计算结果正好达到库群失效破坏的临界标准来实现。以金坛盐岩地下储气库为例,利用FLAC3D软件建立库群数值模型,根据强度折减理论对其进行静力分析和长期流变分析,获得不同条件下的库群整体安全系数。计算表明：静力分析中,随着折减系数的不断增大,腔周塑性区不断发展,腔群的整体安全系数为2.25;长期流变分析中,随着折减系数的增大,储库腔群的主要破坏因素由体积收缩逐渐转变为塑性区的发展贯通,在与静力分析相同的数值模型及内压条件下,库群运行50 a的整体安全系数为1.83。同时,探讨安全系数同矿柱间距、压强工况以及库群破坏模式之间的关系,为类似盐岩储气库库群安全运营和稳定性评价提供科学依据。     

盐岩地下储库群运营期多失效模式下系统时变可靠性分析方法研究

 盐岩地下储库以其优良的密闭性及安全性得到日益广泛的应用,但对其体系可靠性及风险的研究尚属探索阶段。运用系统可靠性理论,对储库群在设计运营期内的失效进行定义。考虑运营期内盐岩蠕变引起的腔体体积收缩和矿柱塑性区发展对储库群系统可靠性的影响,给出储库群系统的多种失效模式,建立储库群系统可靠性分析模型。在考虑相关性的基础上,应用“最弱失效模式假设”对储库群系统进行时变可靠性分析评价。以金坛盐岩地下储库为工程背景,建立储库群数值模型,进行时变可靠性分析,得到一些有价值的结论。提出盐岩地下储库群系统时变可靠性分析方法,为盐岩地下储库群的安全运营和稳定性评价提供科学的依据。     

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。     

层状盐岩储气库运营压力失控全过程稳定性分析

为研究极端荷载作用下深部层状盐岩储气库(群)的非线性响应特征,针对金坛盐岩地质构造,建立层状盐岩储气库水溶建腔、注采运营至失控井喷卸压全过程数值分析模型,运用自定义盐岩黏弹塑性损伤模型计算失控卸压对储库单、双腔渐进破坏、变形收敛及地表沉降的影响。结果表明,夹层位置围岩破损深度要显著大于其他部位,且极端卸压造成的腔周破损区达到10 a循环注采运营阶段的5~10倍;失控卸压阶段溶腔平均体积收敛速率达0.012%/d~0.013%/d,为正常注采运营阶段的6.0~6.5倍;地表沉降呈漏斗状曲线分布,极端卸压影响范围在两倍溶腔直径范围之内。双腔分析揭示出两倍溶腔直径安全矿柱宽度下相邻腔体间的相互作用已不明显。     

地下盐岩储库群临界间距与破损分析

 为研究地下储库整体稳定性和损伤破坏规律,提出基于变形稳定理论的地下储库群稳定性判别方法。将强度折减系数K和塑性余能范数ΔE的关系曲线作为储库整体稳定性和破坏的关键判据,用不平衡力展示失稳破坏的部位和模式。建立以屈服函数作为损伤控制变量的分析方法,并用于研究储库不平衡力与位移的关系。研究双储库的临界间距、破坏模式和埋深对储库稳定性的影响,分析单储库洞周围岩损伤对不平衡力的作用。研究结果表明,用不平衡力和塑性余能范数来定量评价地下储库群的稳定性是合适的,基于屈服函数的破损分析可为岩石进入塑性阶段后的力学行为研究提供新的思路。     

盐岩地下油气储库设计参数优化研究

 针对盐岩地下油气储库在不同地质条件下腔体几何参数、围岩内腔体布局、套管靴高度等设计参数对储库结构稳定性、密闭性和使用性等方面的影响进行数值计算,分析提出盐岩地下油气储库设计参数优化准则。在盐丘、厚盐层地质条件下为减小对油气储库围岩损伤影响,应采用中部扩大圆柱形腔体;为减小对腔体收敛、地面沉降影响,应采用顶部扩大圆柱形腔体;在薄盐层地质条件下为保证腔体稳定性,应采用长短轴比为7/3的椭球形腔体。围岩内腔体布局应保证腔体间矿柱间距在盐丘、厚盐层地质条件下大于3倍腔体直径,在薄盐层地质条件下大于2倍腔体直径;最小顶板厚度应综合考虑在最大允许内压条件下腔体不泄露、不发生坍塌、地面无严重沉降等因素综合确定。为保证储库的密闭性,腔体顶部套管鞋顶部应位于腔体顶部盐体蠕变容许影响范围之外。     

基于三剪能量屈服准则的地下水平盐岩储库腔壁稳定性分析

为解决地下水平盐岩储库的稳定性问题,在三剪能量屈服准则和试验研究的基础上,建立一个新的基于洛德角和应力的全应力状态的扩容准则.以建立的准则为判据,在不同轴比、不同侧压系数条件下,对常见的水平椭圆柱形的盐岩储库腔壁稳定性进行评价,最终确定储库的最佳轴比及其运营的极限气压范围.将计算结果与Kerry DeVries准则的计算结果进行对比,结果表明:该准则为确定地下水平盐岩储库运营时的极限气压提供了行之有效的理论方法.     

盐岩密集储库群布置方式优化及连锁破坏研究

 将基于不平衡力和最小塑性余能范数的地下洞群稳定性判别方法引入FLAC3D,推导其在FLAC3D中的等价形式,并证明可以用最大不平衡力和塑性区范围判断库群的稳定性,用FLAC3D中的不平衡力分布和调整过程表征库群的破坏位置和扩展路径。从合理的储库间距和密集库群的平面布置形式这2个方面对密集储库群的布置方式进行优化,指出1.5倍洞距为经济安全洞距,正三角形布置为库群最优化的平面布置形式。对库群中的2种破坏源进行对比计算,结果表明非边缘腔为破坏源时,对库群整体稳定性的影响较边缘腔为破坏源时更大。采用正三角形布置方式,先对单个非边缘腔突发失压的工况进行稳定性分析,考虑盐岩长期强度的折减,再对同一模型进行稳定性分析,并将结果应用于库群连锁破坏分析中,作为确定先期失稳部位的依据。对库群进行连锁破坏数值计算分析,结果表明单腔突发失压不易引起库群连锁破坏。     

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。     

遗传算法在洞群二次衬砌厚度优化中的应用

 因地形地貌及工程间的相互影响,高密度地下洞室群的出现概率逐渐增大,洞群各洞室与洞群整体稳定性的关系、洞群的主导破坏模式、合理规划设计各洞室支护措施强度以实现等强度设计理念等课题研究的需求越加迫切。基于有限元强度折减理论,依托重庆某一大型高密度地下洞室群,对比现行安全系数主要判定准则在洞群应用中的可行性及合理性;基于最小二乘法,利用二次多项式对各洞室安全系数与二衬厚度的隐含关系进行显示拟合,并通过遗传算法对二衬厚度进行优化。洞室间夹层围岩等次要部位的局部破坏对洞室乃至洞群的整体稳定性影响较小。并行洞室的主导破坏模式与两者间距、埋深等因数有关,主要分为3种破坏模式：埋深较浅且洞间间距较大,洞室拱顶塑性围岩破坏区向背离洞群中心的斜上方发展并贯通至地表,洞群破坏;当埋深较深且洞间间距较小,各洞室拱顶塑性围岩破坏区向靠近洞群中心的斜上方交汇贯通,洞群破坏;当洞间间距及埋深均处于两种破坏模式之间时,上述两种破坏模式共同导致洞群破坏。洞群主导破坏模式多样,洞室关键点位移随强度折减系数的变化曲线不一定有明显的突变点,此时宜结合塑性区分布及其发展历程共同确定洞室安全系数。基于最小二乘法的二次多项式对隐含关系显示表达,利用遗传算法对洞群各二衬厚度进行优化,既可达到一定的拟合精度也能得到较理想的优化结果。     

交变气压风险条件下层状盐岩地下储气库注采气大型三维地质力学试验研究

利用深部盐岩洞穴进行天然气储备是目前国际上广泛采用的一种方法。为研究注采气交变气压、气压变化速率对储气库运行安全的影响,设计研制出三维梯度非均匀加载地质力学模型试验系统、注采气智能控制系统以及基本满足相似条件且具有显著流变特性的层状盐岩模型相似材料。通过江苏金坛盐岩地下储气库注采气大型三维地质力学模型试验,有效获得交变气压、气压变化速率等风险因素对储库运营安全稳定的影响。试验结果表明:采气降压和注采气压变化速率是影响盐腔运营安全的重要因素,洞腔径向收敛位移和径向应变随储气内压的减小逐渐增大,为保证储库运行安全,储库储气内压应大于4MPa。注采气压变化速率越快,洞腔径向收敛位移和径向应变变化速率越大,因此,应有效控制储气库的注采气压变化速率。研究成果为储库运营安全控制提供可靠的试验依据。     

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。     

盐岩中能源(石油和天然气)地下储存库稳定性评价标准研究

由于盐岩属于一类特殊的岩体，储存库的稳定性分析的评价标准与其他岩体有差别，在各国并没有统一的标准和设计规范，多数是用数值计算的方法来评价储存库的稳定性。主要做法是根据具体的储存库及其岩体力学特性，预先设置储存库稳定性的一些标准，然后对盐岩及其相关的岩石进行大量的试验研究，得到所需要的计算参数，最后通过数值计算来确定储存库的稳定性。系统地提出了盐岩中能源储存库的稳定性研究的内容和评判标准，这些标准归纳起来有3个方面，即：(1)储存库稳定性标准如不允许出现片邦，不允许出现蠕变破坏、安全矿柱和地面沉降控制准则；(2)储存库密封性标准如最大内压控制准则；(3)储存库可使用性标准如储存库体积收敛性。同时给出一个算例，以说明如何评价储存库的稳定性，并说明对储存库稳定性评判标准可以根据具体的情况做必要的修改。     

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。     

金坛盐穴天然气储库区地表变形PSI监测

 地面沉降监测对天然气地下储气库安全有效运行具有重要意义。由于盐穴空间分布和应力环境周期性改变的特点,盐穴储库区地面变形具有空间差异性和时间波动性。因而,利用监测时空密度较高的技术才能全面细致地反映盐穴储库区地面变形的时空特征。基于永久散射体雷达干涉测量(PSI)技术,利用PALSAR数据,对金坛盐穴天然气储库区在2007～2010年的地面变形进行监测。与地面GPS监测结果的对比表明,PSI监测在变形的总体趋势和非线性过程方面都具有较高精度,并且监测的空间范围更广、空间密度和时间密度更高。储库区地面变形显示明显的空间差异,沉降高值区与人类工程活动强烈的区域对应。同时,监测时间段内的储库区非线性变形过程可以被划分为3个沉降阶段和2个抬升阶段。但是因为相关资料的缺乏,这种沉降和抬升的交替现象是否与各时段的人类活动特征有关,还有待进一步研究。     

天然气盐岩洞室群长期存储能力

对某天然气存储场盐岩洞室群的长期变形进行了三维有限元法流变分析。盐岩洞室周边附近区域内围岩的应力较低,其分布呈现出抽水井附近的水压力特征。当达到设计使用年限(80a)时,该天然气存储场内单一洞室的剩余存储能力保有初始存储能力的29.1%。进一步研究表明,当洞室间距较大时,单一洞室的剩余存储能力较大。间距400m的洞室群中单一洞室的剩余存储能力比间距280m的大5%～10%。