多夹层盐岩体中储气库围岩变形规律及安全性研究

论文摘要

由于盐岩具有孔隙度低、渗透率小、损伤自恢复、塑性变形能力大、水文地质条件简单和分布广等优良特性,盐穴被公认为石油、天然气储备和高放射性废物处置的理想场所。与国外盐丘型盐岩矿藏相比,我国盐岩矿藏以多夹层盐岩为主,具有盐岩层多、单层厚度薄且盐岩体中一般含有众多夹层（如硬石膏层、泥岩层和钙芒硝层等）等特点,为多夹层盐岩矿藏中储库的设计和安全评价提出了挑战。本文通过室内试验、理论分析和数值模拟计算等方法对多夹层盐岩破坏准则、盐穴储气库在造腔和运行过程中盐穴围岩变形、矿柱顶板稳定性、地表沉降和密封性等问题进行研究,优化盐穴储气库设计和运行参数,提高其使用效率和安全性。具体研究工作和得到结论如下：（1）考虑到应力状态对多夹层盐岩破坏强度影响较为显著,将应力Lode角参数引入到Mohr-Coulomb准则中,对其进行修正,体现应力状态改变对盐岩破坏强度影响。利用室内盐岩实验数据分别回归出三轴压缩和拉伸应力状态下盐岩失效准则表达式,并与已有的盐岩破坏准则计算结果进行对比。数值模拟计算表明改进Mohr-Coulomb准则比已有的盐岩破坏准则具有优越性,能够较好反映我国多夹层盐岩破坏特征。（2）对比了4种盐穴储气库设计方案在不同工况下的最大变形量、塑性区体积和体积收缩率等变化规律,给出最优设计方案及建议；讨论了不同参数对盐穴储气库群间矿柱、顶板受力和变形的影响规律。研究结果表明：上部为椭球、下部为半球形状且高径比为3左右,对盐穴储气库整体受力和体积收缩控制较为有利；建议矿柱宽度设计为2-3倍盐穴直径、对于矿柱宽度较小的相邻盐穴储气库采用注采气同步模式运行；埋深越大盐穴顶部结构稳定性越差,顶部相邻夹层弹性模量越大顶部结构稳定性越好,而顶部盐岩厚度和相邻夹层厚度对顶部结构稳定性影响不显著。（3）考虑到盐穴储气库群间矿柱和顶板失稳破坏过程具有典型的非线性和突变性,建立了矿柱和顶板稳定性评价的尖点位移突变模型。该模型可以有效克服单纯使用有限单元强度折减法在计算矿柱和顶板稳定性全系数中不能精度量化失效判别标准的缺点,提高数值模拟计算精度。利用该模型对影响盐穴储气库群间矿柱及顶板稳定性的因素进行了分析。矿柱稳定性安全系数随着埋深和时间的增加而降低,随着内压和矿柱宽度增加而增加。埋深、顶跨和内压对多夹层盐穴储气库顶部结构稳定性影响较为显著,且在实际设计和运行过程中可以控制,建议在盐穴选择过程中合理选择埋深、严格控制顶跨尺寸、减少盐穴低压运行时间。（4）将盐穴储气库地表沉降量预测分为造腔和存储两个阶段进行研究,考虑盐岩蠕变影响,采用扩展形式的Gaussian曲线表示沉降区形状,建立了盐穴储气库地表动态沉降量计算模型,推导出相应的计算公式。采用该模型、Schober & Sroka模型、Peter A Fokker模型和FLAC3D对某盐穴储气库地表动态沉降量进行了模拟计算,并对比了计算结果。计算结果表明盐穴储气库地表动态沉降量计算模型具有较高计算精度,可以满足实际工程需要。盐穴储气库地表沉降量随着造腔速率、时间、埋深、直径和高度增加而增加,随着内压增加而降低。（5）根据天然气在夹层中运移的特点,建立了多夹层盐穴储气库密封性评价的等效渗透率模型,并采用数值模拟计算对该模型进行验证。研究了夹层倾角、渗透非均质性、渗透率、埋深和内压等参数对天然气运移到地面所需时间的影响规律。天然气通过夹层运移到地表所需时间随着渗透非均匀性、埋深增加而增加,随着地层倾角、渗透率和内压的增加而降低。建议在盐穴储气库设计过程中,要着重考虑夹层倾斜角和渗透率对其密封性影响,避免将盐穴储气库建在倾角和垂直渗透率较大的夹层附近。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题提出、研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 盐岩破坏准则
• 1.2.2 矿柱、顶板稳定性评价
• 1.2.3 盐穴地表沉降量预测
• 1.2.4 盐穴储气库密封性
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.3.3 拟解决关键问题
• 1.4 研究方案
• 第2章 适用于多夹层盐岩的改进Mohr-Coulomb准则
• 2.1 改进Mohr-Coulomb准则建立
• 2.1.1 模型建立
• 2.1.2 实验数据拟合及对比
• 2.2 储气库最小运行压力数值模拟计算
• 2.3 不同盐岩破坏准则对计算结果的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 盐穴储气库围岩变形规律研究及参数优化
• 3.1 盐穴围岩变形分析
• 3.1.1 最大变形量
• 3.1.2 塑性区体积
• 3.1.3 体积收缩率
• 3.2 盐穴间矿柱应力和变形分析
• 3.2.1 数值模拟计算
• 3.2.2 注采气时间同步
• 3.2.3 注采气时间不同步
• 3.2.4 矿柱稳定性评价
• 3.3 盐穴顶板稳定性影响因素分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 矿柱、顶板稳定性评价的尖点位移突变模型
• 4.1 尖点位移突变模型建立
• 4.1.1 有限单元强度折减法
• 4.1.2 尖点位移突变模型建立
• 4.1.3 矿柱、顶板稳定评价步骤
• 4.2 矿柱稳定性影响因素分析
• 4.3 Y-1、Y-2盐穴间矿柱稳定性评价
• 4.3.1 模型建立
• 4.3.2 计算结果分析
• 4.4 盐穴储气库顶板稳定性评价
• 4.5 本章小结
• 第5章 考虑盐岩蠕变的盐穴储气库地表动态沉降量预测
• 5.1 沉降量预测模型建立
• 5.2 盐穴储气库地表沉降量分析
• 5.2.1 计算结果对比
• 5.2.2 影响因素分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 基于等效渗透率模型的多夹层盐穴储气库密封性研究
• 6.1 等效渗透率模型建立
• 6.1.1 天然气运移速度
• 6.1.2 天然气运移等效渗透率模型
• 6.2 密封性分析及结果讨论
• 6.2.1 计算结果对比
• 6.2.2 影响因素分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介