多夾層鹽巖體中儲氣庫圍巖變形規(guī)律及安全性研究.pdf

1、由于鹽巖具有孔隙度低、滲透率小、損傷自恢復、塑性變形能力大、水文地質(zhì)條件簡單和分布廣等優(yōu)良特性,鹽穴被公認為石油、天然氣儲備和高放射性廢物處置的理想場所。與國外鹽丘型鹽巖礦藏相比,我國鹽巖礦藏以多夾層鹽巖為主,具有鹽巖層多、單層厚度薄且鹽巖體中一般含有眾多夾層(如硬石膏層、泥巖層和鈣芒硝層等)等特點,為多夾層鹽巖礦藏中儲庫的設計和安全評價提出了挑戰(zhàn)。本文通過室內(nèi)試驗、理論分析和數(shù)值模擬計算等方法對多夾層鹽巖破壞準則、鹽穴儲氣庫在造腔和運

2、行過程中鹽穴圍巖變形、礦柱頂板穩(wěn)定性、地表沉降和密封性等問題進行研究,優(yōu)化鹽穴儲氣庫設計和運行參數(shù),提高其使用效率和安全性。本研究主要內(nèi)容如下：
　　 ⑴考慮到應力狀態(tài)對多夾層鹽巖破壞強度影響較為顯著,將應力Lode角參數(shù)引入到Mohr-Coulomb準則中,對其進行修正,體現(xiàn)應力狀態(tài)改變對鹽巖破壞強度影響。利用室內(nèi)鹽巖實驗數(shù)據(jù)分別回歸出三軸壓縮和拉伸應力狀態(tài)下鹽巖失效準則表達式,并與已有的鹽巖破壞準則計算結(jié)果進行對比。數(shù)值模擬

3、計算表明改進Mohr-Coulomb準則比已有的鹽巖破壞準則具有優(yōu)越性,能夠很好符合我國多夾層鹽巖破壞特征。
　　 ⑵對比了4種鹽穴儲氣庫設計方案在不同工況下的最大變形量、塑性區(qū)體積和體積收縮率等變化規(guī)律,給出最優(yōu)設計方案及建議;討論了不同參數(shù)對鹽穴儲氣庫群間礦柱、頂板受力和變形的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:上部為橢球、下部為半球形狀且高徑比為3左右,對鹽穴儲氣庫整體受力和體積收縮控制較為有利;建議礦柱寬度設計為2～3倍鹽穴直徑、對

4、于礦柱寬度較小的相鄰鹽穴儲氣庫采用注采氣同步模式運行;埋深越大鹽穴頂部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差,頂部相鄰夾層彈性模量越大頂部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好,而頂部鹽巖厚度和相鄰夾層厚度對其影響不顯著。
　　 ⑶考慮到鹽穴儲氣庫群間礦柱和頂板失穩(wěn)破壞過程具有典型的非線性和突變性,建立了礦柱和頂板穩(wěn)定性評價的尖點位移突變模型。該模型可以有效克服單純使用有限單元折減強度法在計算礦柱和頂板穩(wěn)定性全系數(shù)中不能精度量化失效判別標準的缺點,提高數(shù)值模擬計算精度。利用該

5、模型對影響鹽穴儲氣庫群間礦柱及頂板穩(wěn)定性的因素進行了分析。礦柱穩(wěn)定性安全系數(shù)隨著埋深和時間的增加而降低,隨著內(nèi)壓和礦柱寬度增加而增加。埋深、頂跨和內(nèi)壓對多夾層鹽穴儲氣庫頂部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較為顯著,且在實際設計和運行過程中可以控制,建議在鹽穴選擇過程中合理選擇埋深、嚴格控制頂跨尺寸、減少鹽穴低壓運行時間。
　　 ⑷將鹽穴儲氣庫地表沉降量的計算分為造腔和存儲兩個階段進行研究,考慮鹽巖蠕變影響,采用擴展形式的Gaussian曲線表示沉

6、降區(qū)形狀,建立了鹽穴儲氣庫地表動態(tài)沉降量計算模型,推導出相應的計算公式。采用該模型、Schober& Sroka模型、PeterA Fokker模型和FLAC3D對某鹽穴儲氣庫地表動態(tài)沉降量進行了模擬計算,并對比了計算結(jié)果。計算結(jié)果表明鹽穴儲氣庫地表動態(tài)沉降量計算模型具有較高計算精度,可以滿足實際工程需要。鹽穴儲氣庫地表沉降量隨著造腔速率、時間、埋深、直徑和高度增加而增加,隨著內(nèi)壓增加而降低。
　　 ⑸根據(jù)天然氣在夾層中運移的特