層狀巖鹽儲庫氣體滲漏固氣耦合模型及儲庫穩(wěn)定性研究.pdf

1、巖鹽礦床是一類地質(zhì)條件和物理力學(xué)均特殊的礦床，其力學(xué)性能良好，極低的滲透率及損傷自我恢復(fù)的性能，使巖鹽礦床油氣儲庫已成為“高度戰(zhàn)略安全的儲備庫”。 我國的巖鹽礦床的多屬于含有夾層和雜質(zhì)的鹽層，這些夾層和雜質(zhì)主要有石膏、泥頁泥等。在非均質(zhì)的層狀巖鹽礦床內(nèi)建造油氣儲庫比在厚鹽丘內(nèi)建造油氣儲庫涉及的力學(xué)和技術(shù)問題更復(fù)雜。不僅要考慮巖鹽礦體的滲透性、溶腔的蠕變收斂性、礦柱的穩(wěn)定性外，還要充分考慮夾層的不均質(zhì)性，如夾層及層理的滲透性，夾層

2、和鹽層蠕變的差異性。層狀巖鹽礦床中建造油氣儲庫是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜而且涉及很多學(xué)科的深部巖土工程。進(jìn)行層狀巖鹽儲庫氣體滲漏及儲庫的長期穩(wěn)定性的研究，可為我國在類似鹽層中建立油氣儲庫提供有益的參考，具有十分重要的意義和價(jià)值。 本文以層狀巖鹽儲庫氣體滲漏固氣耦合模型及儲庫穩(wěn)定性研究作為研究課題，通過實(shí)驗(yàn)研究，理論分析、數(shù)值模擬的方法，對巖鹽的力學(xué)特性、層狀巖鹽滲透性和固氣耦合理論、深部層狀巖鹽礦床地下油氣儲庫的穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。主要

3、研究內(nèi)容及結(jié)果如下： (1).巖鹽基本力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究。對巖鹽試件進(jìn)行了單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、抗拉壁裂實(shí)驗(yàn)及楔形剪切試驗(yàn)，研究得出：巖鹽是特殊性的軟巖，單軸巖鹽顯現(xiàn)出極強(qiáng)的橫向變形能力，橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比高達(dá)0.6比1。將導(dǎo)致其橫向張拉破壞，由此可建立單軸壓縮下的巖鹽的最大拉應(yīng)變強(qiáng)度理論。 (2).層狀巖鹽蠕變損傷后滲透性的試驗(yàn)研究。通過對鈣芒硝試件的蠕變—滲透試驗(yàn)研究，得出損傷后的巖鹽滲透率數(shù)量級為：10-16～10-1

4、4m2，其滲透率是有效體積應(yīng)力的負(fù)指數(shù)函數(shù)：k=15.93×10-16exp(-0.03853(H)e) (3).層狀巖鹽儲庫氣體滲漏固氣耦合理論的研究。把層狀巖鹽礦體劃分成擬連續(xù)介質(zhì)(基質(zhì)巖塊)和裂隙介質(zhì)(層間節(jié)理)，根據(jù)兩類介質(zhì)接觸處氣壓相等及節(jié)點(diǎn)流量相等建立三維混合介質(zhì)氣體滲流模型，給出了有限元解法。編制研究層狀巖鹽儲庫氣體滲漏的三維固氣耦合的源程序。模擬得出：在兩年內(nèi)，在距儲庫內(nèi)壁120m范圍內(nèi)的層間裂隙和泥巖夾層內(nèi)只出

5、現(xiàn)0.2MPa的氣壓值，這說明了從研究氣體滲漏角度出發(fā)，在層狀巖鹽礦床內(nèi)建造地下儲庫具有一定的可行性。 (4).深部層狀巖鹽礦床地下油氣儲庫的穩(wěn)定性的數(shù)值模擬。本文采用拉格朗日法(FLAC3D)對深部巖鹽地下油氣儲庫進(jìn)行了非線性大變形靜力計(jì)算和蠕變分析，結(jié)果顯示：硐室高徑比、礦柱大小、內(nèi)壓的大小均影響著儲庫硐室的穩(wěn)定性。高徑比越大，應(yīng)力集中現(xiàn)象愈明顯；礦柱越小，巖鹽礦柱內(nèi)應(yīng)力及應(yīng)力集中區(qū)域越大，洞周彈塑性位移、塑性區(qū)半徑也愈大，

6、硐室不穩(wěn)定。內(nèi)壓越小硐室收斂量愈大，收斂率是非線性，在初期體積減少比較明顯，以后逐漸趨于平穩(wěn)。同時(shí)也顯示了：巖性互層處出現(xiàn)了塑性破壞及兩種巖性蠕變變形的不協(xié)調(diào)，這將導(dǎo)致層理面的剪切錯(cuò)動(dòng)，為天然氣的滲漏提供了通道。因此，巖鹽儲庫的危險(xiǎn)位置應(yīng)集中在腔底、腔頂、腔周夾層及互層界面處。 (5).儲庫的大小尺寸、礦柱大小、最低運(yùn)行氣壓的研究。其于油氣儲庫單一硐室、硐室群靜力計(jì)算和蠕變分析，本文認(rèn)為：幾何高度為150m，平均直徑為60m的近