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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于生长曲线的互层状盐岩储气库地表沉降预测

地表沉降是影响地下储气库稳定性的关键因素,准确预测和计算沉降量是保证储气库安全运行的重要手段。本文针对平顶山盐田地区特殊的地质条件,在分析沉降机理的基础上提出了基于Schnute生长曲线的沉降计算模型,利用监测数据通过非线性拟合得到模型参数,并对薄层状盐穴储气库地面沉降进行了理论计算。研究结果表明,储气压力为10MPa的40万方储气库,在蠕变5a、10a、15a、20a和30a之后,中心点沉降分别为26.4mm、50.4mm、58.5mm、61.9mm和65.1mm。预示着互层状盐岩地下溶腔的围岩比较稳定,不会造成上覆地层的大规模移动,研究成果对盐岩储气库工程建设和地质灾害防治具有一定的参考意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Storage in lined hard-rock cavens: results of a pilot study

Spiraling natural gas consumption has increased the demand for high-pressure underground gas storage facilities. The proven methods of gas storage in porous geological formations and salt caverns are limited to locations with suitable geological conditions. At present, innovative techniques for high-pressure underground gas storage in lined hard rock caverns are being investigated in order to increase the number of potential sites and raise supply security. Because of the permeability of the generally jointed hard rock masses, these caverns have to be sealed by a lining system. This paper reports the results of a feasibility study of high-pressure gas storage in lined hard rock caverns. The paper commences with a look at the potential uses of hard rock caverns for gas storage, and pertinent design requirements. A preliminary concept for the caverns and the gas plant is discussed, with specific emphasis on geological boundary conditions, rock mechanics and construction. The paper concludes with a discussion of technical and economic feasibility considerations for this storage concept.     

盐岩地下储库气体泄漏量的计算方法

为分析评估盐岩储气库泄漏事故灾害,借鉴现有输气管道气体泄漏率计算模型和压力容器泄压模型,提出一种适合于盐岩储库气体泄漏量的计算方法,与典型试验对比验证所提出计算方法的有效性;并以金坛盐岩地下储库为例,分析得到泄漏孔径、运营压力、井管长度对气体泄漏率的如下影响规律：气体泄漏率随着注采井套管破裂孔径的增大而逐渐增大,随着盐岩储气库运营压力的增大而线性增加,并随着井管管长的增大而逐渐减小。另外,应用所提出的模型对盐岩储库的气体泄漏速率和泄漏质量随时间的变化进行评估。