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。     

深部盐矿油气储库水溶造腔控制的几个关键问题

 我国正在大规模规划和建设深部盐矿油气储库,如何实现安全、高效水溶造腔已成为亟待解决的技术难题。综合造腔工程实践和理论研究成果,解决该技术难题需要重点关注5个关键问题：我国盐矿夹层的典型分布特征,造腔环境下夹层溶蚀及力学特性弱化,夹层垮塌机制、模式和判别,管柱动力破坏机制与影响因素,造腔控制技术与现场应用。对与上述问题相关的主要研究进展进行系统综述和分析,认为近年来在典型夹层垮塌机制及造腔控制方面已取得一些重要的理论和技术突破,解决或者解释了一些工程问题,对我国盐穴储库建设提供了一定技术支撑,但在不同类型夹层溶蚀特性、多因素下管柱动力失稳模型以及造腔设计室内模拟等方面还远不够深入和全面。最后对近期迫切需要进一步开展的研究工作进行展望。     

盐岩地下储库洞室收缩形变分析

盐岩类地下储库在运行过程中盐岩洞室内部压力从高到低、从低到高的循环变化,因此洞室周围的盐层会受到周围地层的压力和洞室内部压力的多重作用而产生应力变化,由于盐层在高压作用会产生塑性形变,而且,洞室内部的压力始终小于周围地层的压力,因此洞室周围盐层会产生指向洞室内部的位移而导致洞室收缩形变。洞室的收缩形变会导致洞室体积缩小,从而导致储库洞室库容的变化,降低洞室的运行效率。洞室的收缩形变与盐层蠕变规律有密切的联系,通过岩石力学测定,可以分析盐层蠕变特征进而建立盐岩蠕变的本构方程,利用本构方程,通过建立洞室三维模型,可以模拟不同运行状态下的洞室不同部位在不同运行阶段内盐层蠕变的大小,从而预测整个洞室的收缩形变规律。对盐岩洞室储库的运行模拟发现,洞室建成初期有一个短暂的快速收缩形变阶段,后期收缩形变速度较为平稳并有逐步减缓的趋势。因此在盐岩洞室储库运行的初期,必需密切注意洞室蠕变,制定合理的运行参数,确保洞室的安全高效运行。     

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。     

盐岩地下储库洞室收缩形变分析

盐岩类地下储库在运行过程中盐岩洞室内部压力从高到低、从低到高的循环变化, 因此洞室周围的盐层会受到周围地层的压力和洞室内部压力的多重作用而产生应力变化,由于盐层在高压作用会产生塑性形变,而且,洞室内部的压力始终小于周围地层的压力,因此洞室周围盐层会产生指向洞室内部的位移而导致洞室收缩形变.洞室的收缩形变会导致洞室体积缩小,从而导致储库洞室库容的变化,降低洞室的运行效率.洞室的收缩形变与盐层蠕变规律有密切的联系,通过岩石力学测定,可以分析盐层蠕变特征进而建立盐岩蠕变的本构方程,利用本构方程,通过建立洞室三维模型,可以模拟不同运行状态下的洞室不同部位在不同运行阶段内盐层蠕变的大小,从而预测整个洞室的收缩形变规律.对盐岩洞室储库的运行模拟发现,洞室建成初期有一个短暂的快速收缩形变阶段,后期收缩形变速度较为平稳并有逐步减缓的趋势.因此在盐岩洞室储库运行的初期,必需密切注意洞室蠕变,制定合理的运行参数,确保洞室的安全高效运行.     

盐岩密集储库群破损区演化试验研究

采用地质力学模型试验的手段,研究不同储库间距下矿柱破损程度随储库压差增大的演化规律。主要完成以下内容：根据试验需要,对模型试验中涉及的若干关键技术进行研究,包括模型材料、地应力生成系统、内压加卸载系统以及测量技术,并提出一种新的侧向地应力梯形分布精细模拟的球形颗粒流加载方法;设计并完成3个试验方案;对模型试验进行数值模拟,将数值模拟结果与试验结果进行对比分析,指出有压腔之间的矿柱是否能够保持稳定是储库群是否发生连锁破坏的关键。     

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。     

盐岩静动力学特性及储库动力稳定性研究

盐岩溶腔地下储存库被广泛认为是高度安全的战略储备库.随着国家地下能源战略储备库的大规模规划兴建,亟需对盐岩能源地下储存的科学问题和关键技术进行系统研究.系统阐述盐岩静、动力学特性与本构模型方面的国内外研究进展,并结合现有地下储库的动力稳定性案例,分析指出当前地下能源战略储备库作为重要经济目标防护和灾害风险研究中亟需解决...     

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。     

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。     

盐岩渗透特性的试验研究及其在深部储气库中的应用

为给深部盐岩地层(≥1 500 m)中所建天然气储库的稳定性和密闭性评价提供科学指导,针对取自江苏金坛的不同杂质含量盐岩试样,在荷兰乌德勒支大学HPT实验室开展了在三轴压缩条件下的瞬态法渗透率测试研究,揭示盐岩的变形特征与渗透率演化规律.试验研究表明:在围压20 MPa的常温测试条件下,随着偏应力从0～40MPa递增,损伤后的低含泥盐岩的渗透率从10-16 m2逐渐下降至10-21 m2以下,而损伤后的高含泥盐岩的渗透率则平均高出前者1～2个量级,推测表明损伤后的盐岩在加载下裂纹闭合、孔隙减小、逐渐压缩密实,进而渗透率快速降低,同时也表明外载压密作用对纯盐岩的裂纹压缩闭合、甚至损伤修复作用更显著.根据试验成果,并利用H.Alkan等[11]建立的盐岩压缩-扩容边界线对位于1 500～2 000 m深部的盐岩地层中的球形腔体的围岩应力状态分析显示,围岩几乎都位于扩容边界以下的安全区域,由此推知:即使在储气库低压运行条件下,围岩中较难发生扩容而导致密闭性失效事件发生,腔体的密闭性能极好.该研究为深部盐穴储气库的可行性和密闭性评价提供有利支撑.     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于盐岩压缩–扩容边界理论的盐岩储气库密闭性分析研究

 根据我国深部盐岩层中天然气储备的可行性研究,针对盐岩储气库密闭性分析开展试验研究和理论分析。首先对盐岩的压缩–扩容边界理论进行分析,根据应城纯盐岩的三轴压缩试验结果,建议采用双曲线函数拟合盐岩的压缩–扩容边界(CDB),对比不同研究者的试验结果表明,所提议的双曲线型较通常采用的抛物线型具有更好的适用性。在分析盐岩的CDB在主应力空间表达式的基础上,给出盐岩扩容接近度(DAI)的定义和表达式,提出采用基于盐岩的压缩–扩容边界理论来分析盐岩储气库的密闭性,并给出相应的算例。     

盐岩地下储气库群间距数值计算分析

 为确保储气库群的安全性及使用功能，各储存库之间应该保证有足够的距离。盐岩储库群地质条件及运行工况复杂，材料参数变异性强，随机特性对结构安全性影响较大。从稳定性和密闭性两方面出发，以莫尔–库仑准则和损伤扩容准则作为主要失效准则，建立两腔储库群数值计算模型，计算不同储库间距和运行内压下塑性区及损伤扩容区分布。采用响应面法，结合蒙特卡罗方法计算储库群腔周矿柱单元失效概率。结果表明，正常运行状态下，随储库间距减小，损伤扩容区范围明显增大，塑性区范围及腔周矿柱单元失效概率计算结果均明显增大，尤其在低压时更可能产生损伤连通区。对于运行过程中存在的注、采气不同步情况，随着储库间距的增大，压力差对腔周矿柱单元失效概率的影响逐渐减弱。根据稳定性和密闭性分析结果，建议储气库最小间距为2D。