极端风险因素影响的深部层状盐岩地下储气库群运营稳定三维流变模型试验研究

盐岩因其非常低的渗透特性与良好的蠕变行为被公认为能源储备最理想的介质。为有效反映不同采气速率、注气速率、运行低压、运行高压、储库失压、储气压差以及储库间距等极端风险因素对盐岩地下储气库群运营安全稳定的影响,采用满足流变相似条件的盐岩储气库介质模型相似材料,对江苏金坛深部层状盐岩地下储气库群的运营稳定进行三维流变地质模型试验。试验结果表明：(1) 洞腔径向位移和径向应变随着注、采气速率的增加而逐渐增大;(2) 洞腔随储气内压的减小而不断向洞内收敛变形,随储气内压的增大而不断向洞外扩张变形,当储库采气降压到3 MPa或注气升压到22 MPa时,洞腔出现加速蠕变现象;(3) 相邻洞腔位移随着储气压差的增加而增大,当储气压差达到9 MPa时,洞腔出现加速蠕变现象;(4) 储库群之间存在明显的相互影响,洞腔位移随着储库间距的减小而增大;(5) 当盐腔突然失压时,洞周径向位移和径向应变瞬间突然增大。因此,为保证盐岩地下储气库群的安全运营,建议储气库群的最大采气速率应小于0.65 MPa/d,最大注气速率应小于0.75 MPa/d;储气库群的最低运行气压应大于3 MPa,最高运行气压应小于22 MPa;相邻储气库间的最大储气压差应小于9 MPa;储气库之间的间距应大于1.5倍储库最大直径。这些研究成果可为盐岩地下储气库群的运营安全控制与管理提供重要的试验依据。     

具有流变特性的盐岩相似材料的研制及应用

为有效反映盐岩油气储库介质的蠕变变形特征与变化规律,以金坛盐岩储气库为背景工程,根据地质力学模型试验相似原理和原岩物理力学参数,通过大量的材料配比和相应材料试件的力学参数试验,研制出了基本满足相似条件且具有显著流变特性的盐岩相似材料。该相似材料采用精铁粉、石英砂和重晶石粉为骨料,以松香酒精溶液为胶结剂按照规定的配比拌合压实而成。材料力学试验表明：研制的盐岩相似材料具有明显的弹性变形、延塑性变形、应变硬化、应变软化和剪涨破坏特征。材料在低应力时以减速蠕变和等速蠕变为主,高应力时以减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变为主,盐岩相似材料与盐岩原岩的蠕变特性基本一致。将该材料应用到金坛盐岩地下储气库注采气三维地质力学模型试验中,有效获得注采交变气压变化过程中洞周径向位移和径向应变的变化规律,较好反映了盐岩储库介质的流变力学特性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

盐岩力学特性应变率效应的试验研究

 以层状盐岩体矿床中的NaCl岩盐与无水芒硝盐岩为研究对象,在实验室内进行10－5～10－3 s－1范围内单轴压缩强度与变形特性的应变率效应研究。研究结果表明：在上述应变率范围内,NaCl岩盐与无水芒硝盐岩的单轴抗压强度与弹性模量基本不随加载应变速率而变化;同一应变速率条件下,无水芒硝盐岩强度略高于NaCl岩盐;两类盐岩的泊松比均随加载应变速率的增大而减小;随加载应变速率的增大,试件在峰值应力点处的应变减小,其变形模量与加载应变速率呈对数关系;试件破裂方式不随加载应变速率而变,NaCl岩盐试件破裂为柱状劈裂或楔型剪切,而无水芒硝盐岩则表现为单斜剪切。对扩容应力与极限强度之比统计结果表明,盐岩扩容应力与极限强度之比(平均值)为87.3%～91.0%,表明盐岩在扩容之前均具有很强的变形能力。由试验结果可知,在其他安全稳定条件满足的前提下,盐岩溶腔储气库运营中、腔壁应变率在10－5～10－3 s－1范围之内,可以保证储气库腔体的安全稳定运营。     

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。     

地下水封式液化石油气储藏洞库修建技术

结合汕头地下水封式LPG储库的修建,研究储气库的水压密封原理及LPG洞储的气密条件,并通过渗流场的三维数值模拟,得出储气库周围的压力水头及水力梯度的分布规律,验证气密性条件和设置人工水幕的必要性。由于洞库是裸洞储气,且埋深大、跨度大,因此进行了洞室稳定性的三维数值分析,同时优化施工方案,确保施工及运营过程洞室的稳定性。介绍注浆和水幕钻孔技术,这是地下水封式LPG储库修建的两项关键技术,良好的注浆效果可以减少开挖期间的渗漏水、有利于保持必要的水位线、有利于封闭裂隙而减少气体逃逸,水幕钻孔是运营期间水幕保持良好工作状态的保证。汕头地下水封式LPG储库的修建技术对今后我国地下水封式储气库的设计、施工都有一定的参考价值。     

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.     

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.     

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。     

盐岩层中天然气存储洞室围岩长期变形特征

采用有限差分法软件FLAC3D对一天然气存储地下盐岩洞室围岩的流变数值分析表明,由于盐岩的大流变特性,盐岩层中的稳定应力场具有静水压力的特征,这一点对围岩的稳定有十分重要的意义。在设计平均天然气内压6MPa条件下,当达到设计使用年限(80a)时,洞室的剩余存储能力仍保有初始存储能力的27 5%。考虑模型尺寸效应及模型边界条件的影响,计算结果为相对保守的可靠估计。     

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.     

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。     

Dynamic response of underground gas storage salt cavern under seismic loads

A dynamic elastoplastic damage constitutive model is proposed based on the failure characteristic of rock salt under seismic loads. The coding of the proposed model is achieved by the embedded FISH (short for FLACish) language of FLAC^3D (Fast Lagrangian Analysis of Continua). Numerical models of bedded salt cavern gas storage facilities in China are developed by using FLAC^3D, and the proposed constitutive model is used in the simulations. The effects of seismic input angle, seismic acceleration, seismic moment, types of seismic waves, and gas pressure on the dynamic response, stress, displacement, plastic zone, and safety factor (SF) of rock masses that surround salt cavern gas storage facilities are studied. Results show that the seismic wave perpendicular to the surface poses the greatest risk to the safety of the cavern. With an increase in seismic acceleration, the cavern’s SF decreases and that of the lower structure of the cavern decreases more than that of the upper section. Plastic zones propagate from the cavern’s internal surface to the pillar, and then to the pillar and floor along the right and left corners of the cavern bottom. Higher internal gas pressure improves cavern safety. The acceleration and duration of seismic waves are critical factors in ensuring the safety of the cavern. The SF of the cavern’s lower structure is more sensitive to changes in seismic parameters than that of the other locations, which makes the cavern bottom more likely to be destroyed during an earthquake. Therefore, the lower structure should be the study target in the seismic design for a salt cavern gas storage facility. Results have been used in the seismic design of salt cavern gas storage facilities in China.     

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。