大型低温液化天然气（LNG）地下储气库裂隙围岩的热力耦合断裂损伤分析研究

论文摘要

低温LNG地下存储是各国能源存储不可避免的发展趋势。天然气低温液化后极端的低温（-162℃）使得地下储库的建库和长期安全运营都面临着巨大的挑战,目前还没有成功的工程实例。国内外已有学者对岩石在低温下的性状和热力学性质和变化规律、低温地下储气库的建库进行了一些探索性研究。本文为了研究低温LNG地下储气库裂隙围岩在冻结过程中的响应,首先在此基础上系统分析了降温和低温冻结对岩石（多孔介质）和裂隙岩体（裂隙介质）的影响和作用机理,然后将岩体按照裂隙介质考虑,建立了低温LNG地下储气库裂隙围岩的热力耦合断裂损伤分析方法,得到了冻结过程中特殊条件下的储库围岩应力场特征和稳定性态,对低温地下储气库的设计、施工和运营管理提供了科学依据。主要内容和创新性成果如下:（1）针对地下储气库工程,将出露于洞壁的主裂隙和洞壁附近未出露的单裂隙简化为一个带边缘裂纹和一个内置穿透裂纹的半无限板分析模型,从不同岩石热力学性质、不同温度边界类型、不同降温强度、不同降温速度、不同裂隙面与洞壁夹角等对温度降低过程中裂尖应力强度因子的影响进行了系统的数值试验和分析,探索降温对裂隙扩展的机理。（2）根据当前国际上最新提出的低温LNG地下储气库建库的概念模型,将其分成两个阶段:从排水到开挖施工再到使围岩足够冷却停止排水前为第一阶段;从开始停止排水到地下水向冷却的岩体中渗透形成冰冻圈长期运营为第二阶段。针对不同的阶段分别提出了低温LNG地下储气库裂隙围岩的热力耦合断裂损伤分析方法。（3）第一阶段,在围岩开始冷却时的非饱和裂隙岩体中,假设水结冰后不产生冻胀,并忽略冰在裂隙壁面的冻结强度,基于几何损伤理论和断裂损伤力学理论建立了复杂应力状态下的裂隙扩展模型,基于本文裂隙壁面接触面积与裂隙壁面总面积之比等于传压系数的定义,根据初始裂隙以及扩展后裂隙几何分布状况和采用接触传热的热阻理论建立了裂隙岩体的导热模型,并以传压系数为纽带建立了裂隙岩体应力和温度传导的耦合关系,进而提出了温度降低过程中地应力和温度热力相互作用的裂隙岩体热力耦合断裂损伤模型。利用Fortran 90开发瞬态各向异性温度场、温度应力有限元程序及热力耦合的损伤分析有限元程序,并用该程序分析了宏观工程裂隙岩体在温度降低过程中在热应力和地应力共同作用下的断裂损伤。（4）第二阶段,停止排水,地下水位上升并逐渐渗透到已冷却的裂隙岩体中结冰而形成一个冰冻圈后,水分迁移到夹冰的裂隙内冻结膨胀后将导致裂隙进一步扩展。本文假设该阶段温度稳定,在Walder模型基础上建立了一个冻结过程中裂隙冻胀断裂扩展的理论模型,将Walder模型中没有考虑的上覆岩体自重（地应力）对裂隙扩展的抑制作用和地下水压力对裂隙扩展的促进作用考虑进去,使之满足地下储气库冰冻圈形成后的工作条件,最后用该裂隙冻胀断裂扩展模型分析地下储气库长期运营下水分不断迁移到夹冰的裂隙面结冰冻胀导致裂隙的进一步扩展,就埋深、温度梯度、壁面温度、侧压力系数、裂隙初始长度和裂隙倾角等外部因素对裂隙扩展影响进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 综述
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 能源存储的重要性
• 1.1.2 地下储库的优点
• 1.1.3 地下储气库的发展及类型
• 1.1.4 目前我国油气地下储备现状
• 1.1.5 目前我国地下储库的技术发展状况
• 1.2 本文的研究对象及研究意义
• 1.3 低温LNG地下储气库中的岩石力学问题
• 1.4 低温下的岩石物理性状研究进展
• 1.4.1 冻结、冻融循环下岩石的物理性质的试验研究
• 1.4.2 冻结、冻融循环对岩石损伤的试验研究
• 1.4.3 冻结、冻融循环对岩石裂隙影响的试验研究
• 1.5 低温地下储气库工程的研究现状
• 1.5.1 低温地下储气库的建库技术
• 1.5.2 小型低温地下储气库的现场试验研究
• 1.5.3 低温LNG地下储气库稳定性的理论分析和数值分析
• 1.5.4 低温LNG地下储气库的蒸发损耗率
• 1.6 低温下岩体多场耦合理论及其数值分析
• 1.7 裂隙岩体的连续介质力学模型研究进展
• 1.7.1 连续介质力学模型研究方法
• 1.7.2 岩体的损伤断裂模型
• 1.8 本文的研究思路与研究内容
• 1.8.1 研究思路
• 1.8.2 研究内容
• 2 低温对岩石热力学性质和裂隙的影响
• 2.1 低温冻结下岩石的性状
• 2.1.1 低温冻结下岩石的物理力学性质
• 2.1.2 低温冻结下岩石的热学性质
• 2.1.3 冻融循环对岩石性质的影响
• 2.1.4 在经历低温冻结和冻融后岩行结构的变化
• 2.1.5 影响机理
• 2.2 低温冻结对节理裂隙的影响
• 2.2.1 低温冻结对节理裂隙的作用
• 2.2.2 冻融对节理裂隙的作用
• 2.2.3 作用机理
• 2.3 本章小结
• 3 温度降低过程中单裂隙裂尖应力强度因子分析
• 3.1 研究对象
• 3.2 地应力作用
• 3.3 数值试验模型及方法
• 3.3.1 数值试验模型的建立
• 3.3.2 瞬态的温度应力
• 3.3.3 应力强度因子计算
• 3.4 岩石热力学参数对裂隙扩展的影响分析
• 3.4.1 数值试验条件
• 3.4.2 数值试验方案
• 3.4.3 一种特定岩石的裂隙低温扩展机理
• 3.4.4 岩石特性随温度变化对裂隙扩展的影响
• 3.4.5 岩石类型对裂隙扩展的影响
• 3.5 降温边界条件对围岩裂隙扩展的影响机理分析
• 3.5.1 降温边界类型对裂隙扩展的影响分析
• 3.5.2 降温速度对裂隙扩展的影响分析
• 3.5.3 降温强度对裂隙扩展的影响分析
• 3.5.4 工程应用
• 3.6 裂隙倾角对裂隙扩展的影响分析
• 3.6.1 裂隙倾角对裂隙附近温度场分布的影响
• 3.6.2 裂隙倾角对裂尖附近温度应力的影响
• 3.6.3 裂隙倾角对裂尖应力强度因子的影响
• 3.7 本章小结
• 4 温度降低过程中地下储气库裂隙围岩的热力耦合断裂损伤分析
• 4.1 地质模型
• 4.1.1 描述裂隙分布的基本几何参量
• 4.1.2 裂隙频率和裂隙密度
• 4.2 复杂应力状态下的裂隙岩体的断裂损伤模型
• 4.2.1 压剪应力状态
• 4.2.2 拉剪应力状态
• 4.2.3 拉伸应力状态
• 4.2.4 多裂隙间的相互作用
• 4.3 裂隙岩体的导热模型
• 4.3.1 热阻
• 4.3.2 接触热阻
• 4.3.3 含初始裂隙的岩体等效热传导系数
• 4.3.4 裂隙扩展后的等效热传导系数
• 4.4 裂隙面温度传导和应力的耦合关系
• 4.4.1 闭合状态下的初始裂隙面温度传导和应力的耦合关系
• 4.4.2 张性的裂隙面温度传导和应力的耦合关系
• 4.5 热力耦合断裂损伤模型有限元程实现与验证
• 4.5.1 程序实现
• 4.5.2 位移场和损伤演化
• 4.5.3 瞬态各向异性温度场和温度应力
• 4.5.4 温度降低过程中耦合分析步骤
• 4.6 温度降低过程中储库围岩的热力耦合断裂损伤分析
• 4.6.1 开挖完成后围岩的状态
• 4.6.2 注入LNG温度降低过程中围岩的状态
• 4.7 本章小结
• 5 低温LNG地下储气库围岩在形成冰冻圈后的断裂分析
• 5.1 低温下水分的迁移机理及对岩石的劣化
• 5.2 冻结过程中裂隙断裂的理论模型—Walder模型
• 5.2.1 裂纹中冰压力和破裂速率之间的关系
• 5.2.2 质量守恒
• 5.2.3 数值计算
• 5.3 对Walde模型的修正
• 5.4 冰冻圈形成后围岩的断裂分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 液化天然气（LNG）的物理特性
• 附录B 岩石裂缝中冰压力的光弹试验研究
• 附录C 低温地下储气试验库的现场测试
• C-1 低温LPG不衬地下储气库的现场试验
• C-2 低温LNG衬砌地下储气库的现场试验
• 附录D 在校期间完成的相关工作
• D-1 参加的纵向课题
• D-2 参加的横向课题
• D-3 所获专利
• D-4 发表论文