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。     

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。     

考虑流-固耦合的天然气盐岩储库渗流特性研究

根据我国油气储库多为层状盐岩的实际情况,基于流-固耦合分析理论,利用快速拉格朗日有限差分法对层状盐岩储库的渗流特性进行分析。研究了含夹层盐岩天然气储库流-固耦合效应,不同内压下的体积应变与围岩渗透率变化,围岩塑性区分布以及渗流量与渗透压力的变化规律。结果表明:渗透率与体积应变的关系可近似采用线性函数描述,体积应变增大时,盐岩内部空洞和裂隙扩大,使盐岩渗透率增大;在某个渗流压力(洞室内压)条件下,随着盐岩的流变变形,渗流量会趋于某一定值,渗流达到稳定状态。在天然气内压与围岩应力共同作用下,储库围岩塑性区扩展深度随着内压的增大而减小,研究结果对盐岩储气库的安全运行具有一定的指导作用。     

层状盐岩溶腔储气库长期运行稳定性研究

针对我国盐岩矿床地质结构的典型特征:单层厚度薄、软弱夹层多,盐岩夹层对储气库的建造及稳定性具有很大影响,提出了层状盐岩溶腔储气库稳定性研究内容,并运用块裂介质固流耦合数值模拟方法对其影响作了进一步分析.主要结论如下:(1)层状盐岩矿床储气库建造中必然会受到高盐份泥岩夹层的影响.夹层的存在使腔体的稳定性减弱,延缓了腔体内流体的输运、对流扩散过程,增加了建腔的时间,盐岩与盐岩夹层由于蠕变率不同而造成损伤,形成裂隙气体渗漏.(2)高盐份泥岩夹层对储气库的稳定性影响很大,由弹塑性数值模拟可知,运行气压为8-24MPa,形状为椭球腔,且长短轴为7/4时结构最稳定.(3)盐岩夹层对储气库的渗透性具有一定影响.蠕变损伤在盐岩与夹层交接面处产生的裂隙是气体渗透的主通道,具有较强的导气能力,但渗透速度随着时间的延长而减小,最后达到稳定状态,且最外缘气体压力始终低于0.2MPa,从考虑气体渗透的角度,在层状盐岩矿床内建造储气库是可行的.所得结论可为我国薄盐岩矿床内建造储气库提供一定的参考依据.     

含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变特性研究

含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变特性是油气储库稳定性的关键问题所在.通过对湖北应城含高盐份泥岩夹层的盐岩160天的单轴压缩蠕变实验研究,可知湖北应城含高盐份泥岩夹层的盐岩具有良好的蠕变特性,且纯盐岩蠕变应变高于泥岩夹层,横向应变大于泥岩夹层.根据试验结果,分析了含高盐份泥岩夹层的盐岩的蠕变曲线特征,建立了含高盐份泥岩夹层的盐岩的蠕变理论模型,获得了含高盐份泥岩夹层的盐岩的粘弹塑性本构方程,并拟合了参数,为我国含高盐份泥岩夹层的盐岩矿床油气储库的稳定性分析提供了依据.     

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。     

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...     

软硬互层盐岩变形破损物理模拟试验研究

 针对我国盐岩地层的地质赋存特征,开展一系列物理模拟试验,探讨倾角、夹层和界面对软硬互层盐岩变形破损的影响规律。试验结果及理论分析表明：(1) 软硬互层盐岩的单轴抗压强度随倾角变化呈两边高、中间低的U形变化规律。(2) 软硬互层盐岩的破坏模式：层面倾角θ＜30°时,为脆性硬夹层主控的整体破坏;45°＜θ＜75°时,为弱夹层或弱界面主控的剪切滑移破坏;85°＜θ＜90°时,为硬夹层劈裂破坏,局部弱夹层剪切破坏。(3) 沿弱夹层和弱界面的剪切滑移破坏是软硬互层盐岩单轴抗压强度呈现U形变化规律的内在原因。因此,设定储气库的运行压力时,需要着重考虑腔壁肩部和腰部弱夹层和界面的抗剪强度,防止其达到破坏强度而导致腔体破损,从而避免因气体泄漏而引发事故。     

含夹层盐岩地下储气库极限运行压力数值模拟研究

确定盐岩储气库极限运行压力能够有效利用储气库的库容,提高注采频率,以及保证储气库腔体致密和运行安全,因此研究盐岩储气库极限运行压力对能源储备具有重要意义。以剪切型Mohr-Coulomb破坏准则为基础,建立了考虑拉伸强度的修正Mohr-Coulomb模型,提出了盐岩储气库极限运行压力判别方法,并采用有限元法对某盐岩地下储气库进行一系列数值模拟,探讨了含泥岩夹层盐岩地下储气库极限运行压力及其破坏机理。结果表明:使用不同破坏准则对盐岩储气库上限运行压力的影响较大,与理论解比较相差约10%;抗拉强度的减小和夹层材料参数的变弱均会使盐岩储气库上限运行压力变小;盐岩地下储气库的下限运行压力与夹层的弹性模量、泊松比和内摩擦角呈负相关关系。     

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。     

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。     

泥岩夹层对盐岩变形和破损特征的影响分析

针对我国大多数盐矿的多层盐岩地质构造特征，对含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行单轴压缩和不同围压下三轴压缩试验研究，对比分析3种试样的变形和破坏特性。试验结果表明：泥岩夹层对盐岩体的变形和破坏特性有明显的影响，强度高于盐岩的泥岩夹层却先于盐岩出现横向拉伸破坏；此外还观察到应力-应变曲线的“应力跌落”现象。针对试验结果，利用Cosserat介质扩展理论对泥岩夹层的影响进行理论分析。分析结果表明，泥岩和盐岩力学特性上的不匹配导致二者界面附近泥岩体等效受到横向拉伸应力作用，这很好地解释试验结果，这一分析结果可对进一步进行层状盐岩体内油（气）储库洞室稳定性分析提供理论基础。     

动力水力压裂的相场模拟方法

 水力压裂计算对页岩气开采至关重要,将岩体等效为均匀多孔介质,以动力达西–毕奥流描述岩体内的渗流过程,以相场方法追踪裂缝扩展,将压裂裂缝内流体近似为泊肃叶流,并通过修正渗流方程予以实现,从而提出了动力水力压裂的相场模拟方法,并基于显式有限元框架进行数值求解。通过与一维解析解对比说明所提方法计算位移和动水压的准确性。一系列数值算例表明,提出的压裂相场模拟方法能够模拟动力水力压裂作用下裂缝动态扩展的典型特征,且能够计算水力压裂裂缝的相交、分叉和三维扩展等复杂裂缝扩展形态,为动力水力压裂设计提供了强有力的数值计算工具。     

裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合模型及其应用

 从岩体结构力学和细观损伤力学的角度出发,根据裂隙发育与工程尺度的关系,建立合理且适用的裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型,该模型能真实反映渗流场与应力场耦合作用下裂隙岩体的损伤演化特性,并能模拟由于渗透压的存在和变化引起的拟连续岩体内翼形裂纹的开裂、扩展和贯通等损伤演化特性和高序次贯通裂隙的张开、闭合。建立考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体弹塑性断裂损伤本构方程和损伤应力状态作用下流体渗流方程,给出该数学模型的求解策略与方法,开发裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合分析的的三维有限元计算程序DSDFC.for。该计算程序能模拟岩体分步开挖、应力和渗流边界的动态变化,对裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,发现水库蓄水后岸坡山体的竖向抬升,随水位上升岸坡破损区增大,断层塑性区向岸坡深部扩展,与裂隙渗流比较,拟连续岩体渗流滞后。     

软弱夹层引起围岩系统强度变化的试验研究

堡镇隧道地质条件复杂,埋深大且地应力高,地下水丰富,岩体软弱破碎,隧道自稳能力差,存在顺层偏压。围岩变形具有"变形速度快、变形量大且破坏严重、持续时间长"的基本特征,同时又表现出时间上和空间上不均匀、不对称等诸多特性。通过对隧道左线出口段围岩变形量测资料和掌子面地质素描的比较分析后发现,掌子面有软弱夹层沿洞室径向分布时,其变形破坏程度较相邻段同类围岩严重得多,不同夹层厚度对围岩变形的影响程度也不同。因此,依据堡镇隧道开挖以来变形破坏程度最严重的高地应力炭质页岩段软弱夹层和围岩的典型组合结构,设计了不同厚度软弱夹层的三轴试验方案,进行了含软弱夹层围岩的室内三轴试验研究和三轴力学性质测试,描述了软弱夹层厚度为2.5 cm和围压为4 MPa时的全应力–应变曲线特征,探讨了系统强度变化规律,分析了围压和夹层厚度对系统强度变化的作用机理及特点。     

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。