盐岩地下储气库注采气压变化的三维地质力学模型试验与数值计算分析研究

论文摘要

我国为了解决能源短缺这一逐渐凸显的矛盾,开始实施能源战略储备。由于盐岩具有良好的蠕变性、低孔隙率和低渗透性等特点,被国际公认为是能源储存的最理想的介质。在国外,对盐岩能源储备的相关研究已经比较成熟。但是,与国外巨厚的盐丘相比,我国盐层具有厚度小、夹层多、埋深浅等缺陷,更重要的是与国外成熟的盐岩研究技术相比,我国对盐岩及其储库的研究刚刚起步,有许多重大的科技问题和相关的基础理论亟待解决。由于盐岩地下储气库注气与采气交变气压变化是影响储库运营安全的重要因素,本文在国家重点基础研究发展计划(973课题)——《油气储库群运营中的灾变风险评估与调控机制》的支持下,以江苏金坛盐岩储气库为工程背景开展了盐岩地下储气库在注采气压变化条件下的三维地质力学模型试验研究,有效揭示了注采气压变化对储库营运安全稳定的影响。本文的研究内容和创新点如下：第一,以金坛盐岩储气库为工程原型,根据储库介质的原岩物理力学参数、强度特征和变形特性,开展了大量的材料配比和相应的力学试验,研制出基本满足相似要求的储库模型相似材料。第二,作为技术骨干设计研制出了真三维非均匀加载模型试验系统,包括模型试验加载反力装置、梯度非均匀加载装置和数字加压控制系统,实现了模型试验真三维非均匀加载的数字化和可视化。第三,作为技术骨干设计研制出了模型注采气试验系统,包括注气与采气装置和注采气智能控制系统。该系统可高精度、智能化地实现注气与采气的整个模拟过程。第四,按照储库实际运营工况,采用所研制的相似材料、真三维非均匀加载模型试验系统和注采气试验系统,进行了盐岩地下储气库在注采气压变化条件下的三维地质力学模型试验,有效获得储库洞周的变形规律,为盐岩储库的运营安全管理提供了指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 盐岩储气库相关研究现状
• 1.2.2 地质力学模型试验研究现状
• 1.3 研究内容和技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 第二章 地质力学模型相似理论的介绍
• 2.1 引言
• 2.2 模型试验的相似理论
• 2.3 地质力学模型试验相似关系
• 2.3.1 模型试验的基本相似关系
• 2.3.2 流变模型的时间相似关系
• 第三章 盐岩储库介质相似材料的研制
• 3.1 引言
• 3.2 相似材料的选择
• 3.2.1 相似材料选取原则
• 3.2.2 相似材料的确定
• 3.3 相似材料力学试验
• 3.3.1 原岩力学参数及试验几何相似比尺
• 3.3.2 测试依据
• 3.3.3 试件制作
• 3.3.4 力学试验过程
• 3.3.5 力学试验结果
• 3.4 模型材料蠕变试验
• 3.4.1 单轴蠕变装置的研制
• 3.4.2 蠕变试验过程
• 3.4.3 蠕变试验结果分析
• 3.5 相似材料配比试验结论
• 第四章 真三维非均匀加载模型试验系统及注采气试验系统的研制
• 4.1 引言
• 4.2 真三维非均匀加载模型试验系统的研制
• 4.2.1 加载反力装置
• 4.2.2 梯度非均匀加载装置
• 4.2.3 模型试验数字加压控制系统
• 4.3 真三维非均匀加载模型试验系统的技术优势
• 4.4 注采气试验系统的研制
• 第五章 注采气三维试验模型的制作与测试
• 5.1 模型的加工制作
• 5.1.1 模型实体制作
• 5.1.2 储气库洞腔制作
• 5.2 监测元件的布置与埋设
• 5.2.1 监测元件的布置与编号
• 5.2.2 光栅位移传感器的埋设
• 5.2.3 光纤光栅应变传感器的埋设
• 5.2.4 电阻应变传感器的埋设
• 5.3 模型试验测试
• 第六章 模型试验结果分析与数值计算对比
• 6.1 洞腔围岩位移结果分析
• 6.2 洞腔围岩应变结果分析
• 6.3 模型试验与数值计算对比分析
• 6.3.1 Flac3D简介
• 6.3.2 计算模型
• 6.3.3 洞腔围岩位移对比分析
• 6.3.4 洞腔围岩应变对比分析
• 6.4 结论
• 第七章 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间参加的科研项目
• 研究生期间主要科研成果
• 学位论文评阅及答辩情况表