利用Mogi模型预测盐岩储气库地表沉降

 盐岩储气库运营期间腔体体积的蠕变收缩是库区地表持续沉降的主要原因。假设盐腔体积收缩的等效弹性变形引发的地表沉降是实际蠕变沉降的一阶近似量,将盐腔转化为相同埋深、相同体积的球形腔体,并受到均匀向内收缩的弹性等效面力作用,将盐岩储气库地表沉降近似为弹性半无限空间内球型空洞受力收缩导致的边界位移问题。在上述弹性模型的基础上,引入火山地震学中用于预测火山喷发区地表变形的Mogi模型,得到库区地面垂直位移和水平位移的弹性解析解。Mogi模型的优势在于可以直接通过盐腔体积收缩量求得储气库地表位移,并与相同条件下的数值模拟沉降结果有着良好的近似效果,表明Mogi模型在储气库地表沉降预测研究中具有一定的可行性,并给出利用Mogi模型研究盐岩储气库地表沉降的研究方向及建议方法。     

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。     

金坛盐穴地下储气库地表沉降预测研究

金坛盐穴地下储气库作为西气东输的重要配套工程,其主要功能是为西气东输管道的季节调峰和安全稳定运行提供用气,确保长江三角洲地区的天然气用气安全。地表沉降的准确预测是其保证储气库建设和生产运行安全的一种重要手段。先应用盐岩水溶开采沉降新概率积分三维预测模型,基于开采沉降的分层传递原理,对盐穴20a变形收缩引起的地表沉降及盐穴报废垮塌可能引起的地表沉降进行预测。然后应用地表沉降动态预测模型计算出金坛盐穴地下储气库地表沉降的时间影响因素,获得地表任意点任意时刻的沉降预测值。对比分析表明预测值与实测值十分接近,证实传递预测模型较传统预测方法具有更高的预测精度。     

洞穴型地下储气库热力分析

洞穴型地下储气库洞腔空间经历注气、储气、采气、待储四个周期性运行阶段。通过对洞穴型地下储气库洞腔空间中天然气压力和温度变化的热力过程和岩体中发生导热过程的分析,建立热力分析模型。针对具体项目,以盐穴地下储气库为例,将模型参数具体化,采用有限差分法编程计算盐穴内的温度、压力以及岩体温度场并进行各种因素的敏感性分析。洞穴型地下储气库热力工况与储气库运行阶段有密切的关系,对天然气和岩体的热力学物性参数有相当的敏感性。在进行模型敏感性分析的同时,也检验了模型计算的稳定性。     

软土地区基坑对周边环境影响空间效应分析

软土地区基坑开挖引起的变形具有明显的空间效应,为了进一步研究开挖引起周边地面及建构筑物变形的特性,结合对温州某大型深基坑工程的监测,从垂直于基坑围护墙以及平行于围护墙两个方向,对基坑外地面道路以及建筑物的沉降和裂缝情况进行了监测分析,总结了开挖引起基坑外地表沉降的分布特性,分析发现：基坑边角对围护墙变形以及地表沉降具有明显限制作用;在垂直于基坑方向上,处在沉降主要影响区2H_e范围内,建筑物均具有明显的差异沉降,最大角变量达到1/1300;平行基坑方向距离边角（0.4~1.2）H_e（最大开挖深度）范围观测到纵向裂缝,沉降变化率较大,可能破坏道路或建构筑物;此外,桩基础的建筑物总沉降以及差异沉降均明显小于条形基础建筑。     

盐穴储气库群地表铁路路基变形及运输安全评价

 在铁路路基沉降变形评估的基础上合理缩小铁路保护带宽度是关系湖北云应盐穴储气库项目是否可行的关键问题。盐穴储气库地表沉降变形的主要诱因是运营期间地下腔体体积的蠕变收缩。从经典唯像学的角度出发,将盐穴储气库地表沉降剖面曲线拟合为Gauss函数,假设地表沉降盆地体积与盐腔蠕变收缩体积有着近似正比的关系,引入体积传递系数 和影响角 这2个关键参数,得到一定体积收缩条件下的单腔储库地表沉降公式,并将其应用在湖北云应拟建盐穴储气库地表沉降预测的评估研究中,利用沉降叠加的方式获得运营期间储气库群地表沉降发展趋势。根据储气库群地表沉降评估结果,按照不同的路基沉降变形标准给出缩小铁路保护带宽度的建议和结论,并提出控制盐穴储气库群地表沉降和减小路基沉降影响的若干措施。     

盐岩地下储气库地表沉降风险失效概率的计算分析

盐岩地下储气库在运营过程中,因盐腔蠕变体积收缩引起地表沉降变形,从而对盐矿区地面设施(如建筑物、桥梁、路基等)产生不良影响,为了评估该影响,建立盐岩地下储气库地表沉降风险失效概率的计算方法,即：首先通过数值计算获得盐岩储气库的体积收缩率,然后通过SRAKA SCHOBER矿山法获得盐腔体积收缩引起的地表沉降,并建立地表沉降风险功能函数表达式,最后采用基于随机变量的蒙特卡洛方法可计算获得盐腔体积收缩引起的地表沉降风险失效概率。将该方法应用于金坛盐岩地下储气库,有效获得储气库体积收缩引发的地表沉降对盐矿区地面建筑的影响,为储气库区地面设施风险安全控制提供理论依据。     

盐穴储气库地面沉降监测与分析

盐穴地下储气库通过地下盐矿开采、溶蚀形成的地下空间,进行天然气的储存。在储气库的运营过程中,由于盐岩蠕变,腔体体积收缩会产生地面沉降或地面塌陷。在储气库运营过程中建立地面沉降监测网,捕捉因地层蠕变产生的地面沉降具有重要的意义。详细地介绍了我国第一个盐矿储气库的地面沉降监测,并分析运行过程中的地面沉降变化规律。分析揭示,监测数据与腔体体积的收缩具有较好的吻合性。     

水库枢纽区抬升变形水文地质结构模式研究

水库蓄水引起枢纽区产生抬升变形的现象在国内外水利工程中比较少见。为了解岩体水文地质结构对抬升变形的影响,通过对国内外文献研究,提出了坝基及近坝库岸边坡产生抬升变形的水文地质结构模式:即坝址区存在倾向下游或两岸的相对隔水层,且相对隔水层下存在透水性较大的水文地质结构层。采用流固耦合数值分析方法研究了相对隔水层产状要素变化对抬升变形空间分布规律的影响。研究结果表明:相对隔水层在上游库区的出露区域至坝体距离越近,下游岸坡抬升变形范围越大,抬升变形量也越大;随着相对隔水层倾向下游倾角的增大,枢纽区最大抬升位移呈先增大后减小的变化规律;隔水层倾向角的变化将引起抬升变形空间分布位置的变化。     

土体分层沉降监测技术的现状与发展趋势

根据工程建设实际,介绍了土体深层(分层)沉降观测在建筑施工应用中的原理、方法及现有仪器的优缺点,并通过对现状的分析提出了土体深层(分层)沉降监测技术的发展趋势,即以"三维立体化监测"为目标,建立包含空中、地面、土体内部同步监测的立体化、自动化、智能化网络,强调变形监测的时空因素,丰富变形监测数据分析信息,加强变形监测系统的综合判别能力,实现变形监测智能评价和安全预警。     

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。     

Determination of the maximum allowable gas pressure for an underground gas storage salt cavern——A case study of Jintan,China

Increasing the allowable gas pressure of underground gas storage (UGS) is one of the most effective methods to increase its working gas capacity. In this context, hydraulic fracturing tests are implemented on the target formation for the UGS construction of Jintan salt caverns, China, in order to obtain the minimum principal in situ stress and the fracture breakdown pressure. Based on the test results, the maximum allowable gas pressure of the Jintan UGS salt cavern is calibrated. To determine the maximum allowable gas pressure, KING-1 and KING-2 caverns are used as examples. A three-dimensional (3D) geomechanical model is established based on the sonar data of the two caverns with respect to the features of the target formation. New criteria for evaluating gas penetration failure and gas seepage are proposed. Results show that the maximum allowable gas pressure of the Jintan UGS salt cavern can be increased from 17 MPa to 18 MPa (i.e. a gradient of about 18 kPa/m at the casing shoe depth). Based on numerical results, a field test with increasing maximum gas pressure to 18 MPa has been carried out in KING-1 cavern. Microseismic monitoring has been conducted during the test to evaluate the safety of the rock mass around the cavern. Field monitoring data show that KING-1 cavern is safe globally when the maximum gas pressure is increased from 17 MPa to 18 MPa. This shows that the geomechanical model and criteria proposed in this context for evaluating the maximum allowable gas pressure are reliable.     

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。     

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。     

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%。     

暗挖地铁车站围岩稳定性分析与支护优化

针对青岛地铁中山公园暗挖岩石车站开挖出现地表变形过大问题,结合现场施工监测动态信息,采用有限元方法模拟了车站在各施工开挖步后产生的地表沉降、洞室收敛变化情况。结果表明,原设计方案车站地表沉降达50 mm左右,洞室直墙处收敛值较大,车站整体有塌陷的可能,实际监测地表最大沉降为45 mm,与模拟值较为吻合。施工中掌子面穿过断面一定距离后,该断面地表沉降速率变小,表明支护结构的施作对地表沉降起到了一定的控制作用。提出了加强支护控制过大变形方案优化方法,对修改后的支护设计方案数值模拟表明,采用新设计方案的车站地表沉降量减少44%,最大地表沉降为28 mm,且中导洞开挖引起的位移沉降量占总沉降的60%左右,能保证地表变形控制在允许安全范围内。     

建设地下盐穴储气库的可行性及关键技术

阐述建设地下盐穴储气库的必要性,分别从地下盐岩矿床的物理、化学特性,盐穴储气库的经济性和环保性,盐穴储气库建设技术的可行性3个方面分析了在盐岩层中建设天然气地下储气库的可行性。介绍了腔体形状控制、套管选材及设计工艺和腔体形状测量等地下盐穴储气库建设中的关键技术。