小井间距双井水溶造腔模型试验研究

以湖北云应盐矿水溶造腔现场先导试验为背景,在室内开展了小井间距双井水溶造腔模型试验研究,并压制出一种可用于模拟水溶造腔的大尺寸型盐。基于相似理论中的量纲分析法,建立了现场造腔与模型试验的相似比关系。研究结果表明:卤水平均浓度随造腔时间的增加而增大,并最终达到一个稳定的状态;在造腔速率上,试验1的提管方式要优于试验2,说明提进水管的方式更适合小井间距双井水溶造腔;试验1形成的腔体形状为"台阶状",可通过增加提管的次数来消除边界的不规则,小井间距双井水溶造腔的提管次数可借鉴单井水溶法,以8~10次较为合适,试验2形成的腔体形状为"宝塔状",此形状在空间利用上较差;小井间距双井水溶造腔形成的溶腔横截面为非对称的椭圆形,两组试验溶腔横截面的长短轴之比分别为1.44和1.17。     

盐穴储气库水平井造腔扩展规律试验探究

基于量纲分析法搭建了水平井水溶造腔的试验平台,采用室内模型实验的方法研究不同注水流量时腔体体积扩展规律。结果表明:(1)前期腔顶的上升极为快速,若盐层厚度不大,顶板的极限位置很容易暴露,造成漏失。在后期,腔顶上升变缓,但仍处于上升,若富余盐层薄则有漏失风险。(2)待腔顶位置暴露到某位置,可以以腔顶现有位置接近顶板极限位置(现有腔体高度/到顶板的腔体高度≤0.8)的位置,开始注油垫以控制上溶。但实验发现,腔顶暴露面积较大,注油量将会比较多;且注入油垫后,腔顶的位置仍然处于缓慢上升状态(从223 mm→230 mm),若采取注油垫保护顶板,顶部盐层厚度应该留厚。该研究可为现场开展水平井水溶造腔提供一定的指导。     

盐穴造腔模拟与形态控制试验装置研制

 我国盐穴储库建库地质条件具有层状分布、含夹层多、埋藏深度差异大的特点,控制多夹层盐穴的造腔形态对盐穴储库的长期稳定性和安全运营至关重要。成功研制盐穴造腔模拟与形态控制试验装置,为在室内模拟、确定最优的盐穴造腔工艺和形态控制参数提供先进的试验手段。该装置根据相似原理设计、制造,由试验装置框架、多场耦合模拟系统、注采循环系统、注采动态参数测量控制系统和盐腔形态动态数据采集系统等组成,其中,试验装置框架为主体结构,采用模块化设计;多场耦合模拟系统可模拟地温和地应力;注采循环系统可模拟注采水和控制油垫;注采动态参数测量控制系统可实现内外管高度、探头高度和角度控制;盐腔形态动态数据采集系统能实现造腔过程可视化录像和形态实时测量。试验装置可进行多夹层盐岩在多场耦合条件下不同施工工艺和参数对盐穴造腔过程影响与形态发展可视化模拟。通过不同尺寸盐芯试件的造腔模拟试验,结合溶腔发展预测及注油估算程序,证明了该试验装置能较好地模拟多夹层盐穴造腔可视化过程,试验确定的盐穴造腔施工和形态控制参数可应用于现场工程。     

小井间距双井水溶造腔腔体扩展规律研究

搭建了双井水溶造腔的试验装置,采用室内模型实验的方法研究了不同注水流量和井间距时腔体体积扩展规律。结果表明:(1)排卤口卤水浓度随注水流量的增加而减小,腔体体积随注水流量的增加而增加;注水流量越大,盐岩壁溶蚀速率也越大,注水口溶蚀速率要大于排卤口溶蚀速率。(2)井间距对卤水浓度的影响没有注水流量明显,浓度随井间距的增加缓慢地增长;井间距对溶腔体积的影响也较小,井间距由2 cm增加为4 cm,腔体体积增长了2%,井间距由6 cm增加到8 cm,腔体体积仅仅增长了1.8%;井间距主要影响腔体的扁平程度,井间距越大,腔体形状越扁平。该研究可为现场开展小井间距双井水溶造腔提供指导。     

盐穴储气库建腔期浓度场分布规律研究

以盐岩能源地下储库群建造工程为背景,用相似理论中的量纲分析法建立了建腔期腔内浓度场相似模型实验平台,对盐岩建腔期腔体内浓度场分布规律进行了系统分析,研究发现:建腔期腔体内卤水浓度在同一水平面上除边界层外是均匀分布的,边界层浓度高于同一水平面上其他位置;在竖直方向上,注水流量、套管位置、循环方式都会影响卤水浓度的分布;反循环造腔时,卤水浓度在竖直方向上呈现梯度分布,且随深度增加而增加,而且在竖直方向上的分布的浓度梯度受到造腔工艺的影响。在反循环建腔时,根据腔体卤水浓度在纵向上的分布特征,可以将其分为4个区域,饱和沉淀区,缓冲扩散区,对流扩散区和自由扩散区。获得了反循环建腔时卤水浓度分布函数,分析了造腔工艺相关参数对卤水浓度分布的影响规律,为盐穴储气库建腔提供指导意义。     

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。     

高校浴室废水热回收池壁三维非稳态换热效果的数值模拟分析

以北京某高校浴室为例,对高温的洗浴废水进行余热回收。建立废水余热回收池壁三维非稳态换热模型,计算了不同模型下余热回收后废水的温度及速度。重点分析了方腔的换热面积及腔体高度对废水自然对流换热特性的影响,并分析了各模型的节能效果。得出了改变腔体形状(降低腔体高度)、增加冷壁的换热面积可以在一定程度上增强换热效果及在腔体容积一定且换热效果大致相同的条件下,通过改变腔体形状(降低腔体高度)可减少所需的换热面积。     

小井间距双井盐穴储库稳定性综合评价研究

小井间距双井水溶造腔技术在造腔速度和后期注采气方面要优于单井造腔,但目前小井间距双井工艺建造形成的腔体稳定性缺少更为细致的评价。采用故障树分析方法,针对建腔到成腔运营过程中的各种风险,尤其考虑双井独有的井口距和长短轴之比,建立了小井间距双井稳定性评价体系。根据实验和数值模拟,发现井口距、长短轴之比分别对管柱位移、腔体形状影响较大,由此建立了相应的评分模型。利用AHP计算得到各评价指标的权重后建立了小井间距双井盐穴储气库失效的综合评价方法。最终采用法国GEOSEL-MANOSQUE地区的TA&TB井组验证了评价方法的可行性。     

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。     

可用于造腔试验的型盐相似材料研究

用相似理论推导盐岩力学特性相似模型,得到力学参数的相似判据。以重庆北碚盐矿作为相似材料主料,考虑压制力、盐粉含水率、盐粉粒径、盐粉不溶物含量4个影响因素,开展型盐材料配比试验。结果发现：北碚天然盐粉16目粒径,在105～110 ℃烘箱中烘干24 h,100 MPa的压制力,并保压30 min,制备出来的型盐其单轴力学性质与金坛盐岩相似,且满足相似模型的要求。用最佳配比制备型盐,研究其在常温时上溶、侧溶的溶解特性,及60 ℃,70 ℃,80 ℃时侧溶的溶解特性。结果表明：型盐在上溶、侧溶时,其溶解速率都比天然盐岩小,分别为天然盐岩溶解速率的0.75,0.81倍;在溶液温度60 ℃,70 ℃,80 ℃的情况下,其溶解速率同样比天然盐岩小,分别为天然盐岩溶解速率的0.88,0.74,0.78倍。该相似材料配比可用于制备大尺寸型盐来模拟盐岩造腔全过程,对造腔模拟研究具有重要作用。     

岩盐储库建腔期难溶夹层的软化规律研究

 为揭示盐岩水溶造腔过程中难溶夹层力学特性与卤水浸泡时间的关系,更好地了解夹层的软化规律和范围,为预测和控制夹层的破坏垮塌提供理论支持,以云应盐矿中的泥质硬石膏夹层为研究对象,进行不同浸泡时间下的单轴压缩和巴西劈裂软化试验研究,发现其力学强度随卤水浸泡时间劣化明显,其中,单轴抗压强度、弹性模量、泊松比与卤水浸泡时间呈显著的DoseResp函数关系,抗拉强度与浸泡时间呈显著的Slogistic1函数关系,且试件的单轴压缩及巴西劈裂试验的破坏形式随浸泡时间的增加有从张拉破坏向剪切破坏的渐变趋势。通过分析试验结果发现,卤水对夹层力学强度的软化作用与夹层可溶物含量、夹层成分遇水膨胀的不均性、卤水的润滑作用和矿物晶键的软化作用均存在密切相关。推导了基于浸泡时间的夹层损伤演化方程,建立夹层轴向和径向的软化深度模型,并将其应用于水溶造腔过程中难溶夹层软化范围的划定。此外,基于夹层抗拉强度与卤水浸泡时间的关系,给出判定和预测夹层局部软化破坏的最大拉应力强度准则。     

中国盐岩能源地下储存可行性研究

选定我国江苏金坛盐矿为示范工程，通过深部盐岩的力学及蠕变试验，研究了深部盐岩的变形规律，建立了深部盐岩溶腔的腔体变形三维计算模型。结合示范工程的具体地质条件，对深部地下盐岩溶腔的洞形、稳定性及长期稳定性进行了数值模拟，研究了不同压力下溶腔容积的变化规律。通过现场储气库压腔试验，验证了计算分析采用的参数合理性。研究结果表明，从地下工程稳定性方面来看，利用我国盐岩实施能源储备是可行的。     

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。     

深部储气库群盐层蠕变参数优化研究

 结合我国第一个盐岩储气库群——金坛储气库运行过程中观察井的压力变化监测数据,利用监测观察溶腔腔体卤水压力的变化来分析腔体体积收缩变形,并据此反演分析储气库区盐层蠕变本构方程的主要蠕变参数,使其计算结果与实际吻合,解决数值计算在地下盐岩储气库中很难被验证的问题。结合理论分析和试验的方法,验证利用观察井监测腔体蠕变收缩体积这种方法的合理性。研究成果能用于盐岩储气库运营中的长期体积变形预测、地表沉降预测等研究工作中,为盐岩储气库群的长期稳定安全运行提供技术支持。     

高温盐溶液浸泡作用下石膏岩力学特性试验研究

 为研究盐矿水溶开采或盐岩溶腔储库建造过程中,石膏岩夹层在温度与含Cl－盐溶液长时间共同作用下的力学特性,进行主要内容包括石膏岩在40℃,70℃半饱和、饱和盐溶液浸泡作用之后的单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度试验,通过对比分析揭示石膏岩在这一特殊条件下的力学特性。主要结论如下：随温度升高、盐溶液浓度增大、浸泡时间的延长,石膏岩强度呈降低弱化趋势。浸泡60 d后石膏岩单轴抗压强度弱化系数为0.10～0.73;弹性模量随温度与浓度变化也呈线性规律降低,从40 ℃半饱和溶液中的5.92 GPa降至70 ℃饱和溶液中的0.21 GPa。相同条件下,抗拉强度也从在40 ℃环境下的0.64～0.66 MPa,降至70 ℃环境下的0.27～0.47 MPa。在70 ℃饱和盐溶液中浸泡60 d之后,石膏岩莫尔–库仑剪切强度拟合方程为 °,而相同条件下浸泡30,80 d之后的剪切强度拟合线性方程分别为 °, °。随浸泡时间的延长,石膏岩的黏聚力与内摩擦角均呈降低趋势。为区分石膏岩在不同条件下的破坏方式及其差异,定义岩石变形破坏脆性指标--破坏刚度,将其近似为岩石单轴压缩应力–应变曲线峰后破坏段斜率。实测结果表明,在干燥、40 ℃半饱和到70 ℃饱和溶液几种条件下,石膏岩的破坏刚度分别为704.4,690.1,218.9,255.2,19.5 GPa。相应破坏方式也由脆性向脆延性、延性转变。本研究对深入揭示石膏岩水力学特性及指导层状盐岩矿床储库溶腔控制溶解建造具有重要理论意义与应用价值。     

Stability analysis of rock blocks around a tunnel using a statistical joint modeling technique

A three-dimensional statistical joint modeling technique was used to analyze the stability of rock blocks around a tunnel. The rock blocks generated from the joints and the tunnel were analyzed for their volume, height, perimeter, safety factor, and probability of occurrence. All these procedures were programmed into the computer program blocstab. The characteristics of rock block occurrence due to the variation of joint persistence (diameter), orientation and volumetric frequency were investigated. The rock block stability around a storage cavern of liquefied petroleum gas in Korea was analyzed as a case study. Here, the joints were assumed to follow the Baecher disk model for their shape and location, and their orientations were modeled by the Fisher distribution. The joint diameter distribution was estimated by using the window sampling method recently developed by Song and Lee.     

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。