多夾層鹽巖體中儲(chǔ)氣庫(kù)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(fù)、塑性變形能力大、水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單和分布廣等優(yōu)良特性,鹽穴被公認(rèn)為石油、天然氣儲(chǔ)備和高放射性廢物處置的理想場(chǎng)所。與國(guó)外鹽丘型鹽巖礦藏相比,我國(guó)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(diǎn),為多夾層鹽巖礦藏中儲(chǔ)庫(kù)的設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)提出了挑戰(zhàn)。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算等方法對(duì)多夾層鹽巖破壞準(zhǔn)則、鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)在造腔和運(yùn)

2、行過(guò)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(wèn)題進(jìn)行研究,優(yōu)化鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)和運(yùn)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(yīng)力狀態(tài)對(duì)多夾層鹽巖破壞強(qiáng)度影響較為顯著,將應(yīng)力Lode角參數(shù)引入到Mohr-Coulomb準(zhǔn)則中,對(duì)其進(jìn)行修正,體現(xiàn)應(yīng)力狀態(tài)改變對(duì)鹽巖破壞強(qiáng)度影響。利用室內(nèi)鹽巖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別回歸出三軸壓縮和拉伸應(yīng)力狀態(tài)下鹽巖失效準(zhǔn)則表達(dá)式,并與已有的鹽巖破壞準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。數(shù)值模擬

3、計(jì)算表明改進(jìn)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則比已有的鹽巖破壞準(zhǔn)則具有優(yōu)越性,能夠很好符合我國(guó)多夾層鹽巖破壞特征。
　　 ⑵對(duì)比了4種鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案及建議;討論了不同參數(shù)對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)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(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)整體受力和體積收縮控制較為有利;建議礦柱寬度設(shè)計(jì)為2～3倍鹽穴直徑、對(duì)

4、于礦柱寬度較小的相鄰鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)采用注采氣同步模式運(yùn)行;埋深越大鹽穴頂部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差,頂部相鄰?qiáng)A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?qiáng)A層厚度對(duì)其影響不顯著。
　　 ⑶考慮到鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)群間礦柱和頂板失穩(wěn)破壞過(guò)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(píng)價(jià)的尖點(diǎn)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(qiáng)度法在計(jì)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(biāo)準(zhǔn)的缺點(diǎn),提高數(shù)值模擬計(jì)算精度。利用該

5、模型對(duì)影響鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)群間礦柱及頂板穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了分析。礦柱穩(wěn)定性安全系數(shù)隨著埋深和時(shí)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(duì)多夾層鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)頂部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較為顯著,且在實(shí)際設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中可以控制,建議在鹽穴選擇過(guò)程中合理選擇埋深、嚴(yán)格控制頂跨尺寸、減少鹽穴低壓運(yùn)行時(shí)間。
　　 ⑷將鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)地表沉降量的計(jì)算分為造腔和存儲(chǔ)兩個(gè)階段進(jìn)行研究,考慮鹽巖蠕變影響,采用擴(kuò)展形式的Gaussian曲線表示沉

6、降區(qū)形狀,建立了鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)地表動(dòng)態(tài)沉降量計(jì)算模型,推導(dǎo)出相應(yīng)的計(jì)算公式。采用該模型、Schober& Sroka模型、PeterA Fokker模型和FLAC3D對(duì)某鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)地表動(dòng)態(tài)沉降量進(jìn)行了模擬計(jì)算,并對(duì)比了計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)地表動(dòng)態(tài)沉降量計(jì)算模型具有較高計(jì)算精度,可以滿足實(shí)際工程需要。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)地表沉降量隨著造腔速率、時(shí)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(yùn)移的特