盐穴储气库溶腔夹层应力分布规律

 针对层状盐岩地层水溶造腔过程中不溶性夹层的破坏坍塌现象,建立了夹层力学分析模型,应用小挠度薄板弯曲理论求解,得到了夹层剖面内各应力分量的分布规律。对夹层破坏坍塌条件进行分析,给出了一种计算夹层极限跨度的方法。研究成果为盐穴储气库水溶造腔过程中夹层破坏坍塌的预测提供了理论依据和有效的计算方法。     

地下水平盐岩溶腔内薄夹层滑移失稳分析

盐岩与非岩盐夹层界面的滑移破损,严重影响地下岩盐储气(油)库稳定性和密闭性。为建立地下水平岩盐储库内薄弱夹层滑移破坏的理论判据,从力学基础理论出发,以椭圆形断面水平岩盐储库为例,对溶腔内薄弱夹层进行了界面上的应力分析;利用经典的库仑莫尔准则,综合考虑储库深度、内摩擦角、内聚力、内压以及夹层位置等因素,定义了薄弱内夹层滑移破坏的稳定因子。通过算例,分析了各个因素与岩盐夹层交界面滑移破坏的关系。本研究结果可以为地下水平型储库设计关键参数的确定提供理论依据。     

盐穴建造期夹层与卤水运移相互作用机理分析

以金坛层状盐岩能源地下储库群建造工程为背景,基于RNG kε湍流计算模型及物质输运理论,研究了盐穴建造期夹层与卤水输运相互作用关系。计算发现,建造期卤水在运移过程中受夹层影响会形成复杂的紊流,一般在夹层附近会产生涡流,其影响程度随腔体扩大而减弱,另外夹层对流场的影响程度还受注水循环方式、注水流量及套管位置等造腔工艺影响。同时卤水的非均匀流动对夹层也会产生不同程度的扰动水压力,一般建腔前期夹层主要受注入流产生的扰动水压力作用,而后期主要受边界质量流作用,卤水对夹层的扰动水压力大小同样受造腔工艺的影响,但无论哪个造腔阶段卤水流动产生的压力都不足以使夹层垮塌破坏。利用PIV技术监测物理模型中的卤水运移规律,实验中卤水运移规律与数值计算结果一致。     

金坛盐穴储气库腔体偏溶特征分析

国内可用于盐穴储气库建设的盐矿以层状盐岩为主,造腔过程中普遍存在腔体偏溶现象,研究其特征及成因对国内以后盐穴储气库的建设具有一定的借鉴作用。以国内第一个盐穴储气库金坛储气库为研究对象,基于声呐测腔数据,提出了以偏溶系数,即腔体最大半径与同一平面最小半径的比值,来定量表征腔体的偏溶程度,最大半径方向即为腔体偏溶方向。统计结果表明,金坛储气库腔体偏溶系数1.13~11.88,偏溶方向以北东南西向为主。结合夹层、可造腔盐层厚度和地应力数据,分析了腔体偏溶发生的原因,认为造腔过程中夹层的不均匀垮塌可促使腔体发生偏溶;可造腔盐层厚度越大,腔体发生偏溶的可能性就越大,偏溶程度就越严重;地应力方向对腔体的偏溶方向具有重要影响。     

盐穴储气库夹层力学简化模型研究

笔者针对盐穴储气库溶腔夹层的受力与破坏特征,运用应用梁的弯曲理论,建立了夹层简化力学模型,并应用该模型进行了求解,得到了夹层剖面内弯曲剪应力和弯曲正应力分量的分布规律,计算结果与应用小挠度薄板弯曲理论计算结果基本一致。但应用本文所建简化力学模型求解时,不依赖于夹层弹性模量和泊松比。研究成果为盐穴储气库溶腔夹层的力学分析提供了一种简单有效的计算方法,方便现场应用。     

非线性准则下隧道围岩响应的理论和数值分析

采用Hoek-Brown非线性准则描述岩土破坏特征更能反映岩体固有特点和非线性破坏特征,以及岩石强度、结构面组数、所处应力状态对岩体强度的影响。首先,通过理论分析,得到了围岩开挖后应力和变形情况;然后,利用数值计算软件,建立了Hoek-Brown准则下隧道的数值计算方法和计算模型,分析了隧道在开挖情况下的应力变形情况,得到围岩的径向应力、切向应力、剪应变分布、塑性区分布和位移情况,并将数值计算结果与理论计算结果进行对比,结果表明:①隧道开挖引起岩体的扰动,使其从平衡状态转为不平衡状态。随着时间的推移,不平衡力逐渐在岩体中消散均化,岩体的扰动逐渐减小,最终趋于平衡。②数值解均略大于理论解,但二者差别十分微小,从而验证了数值方法的正确性。     

复杂开采沉陷分层传递预测模型

在盐岩水溶开采沉陷新概率积分三维预测模型的基础上,对开采沉陷上覆岩层的传递规律进行研究,提出开采沉陷分层传递预测模型,该模型可以考虑不同岩层岩性对开采沉陷的影响,能够有效提高非规则采空区开采沉陷的预测精度。同时针对分层传递模型中不规则三重积分难以获得解析解的情况,给出模型的离散数值解法,可以方便的通过数值计算对开采沉陷进行预测,最后应用叠加原理给出多溶腔开采沉陷预测模型。实例证实传递预测模型较传统预测方法具有更高的预测精度。并成功应用于金坛盐矿战略油气储库地表沉陷预测。     

层状盐岩体中地下能源储库稳定性影响因素分析

层状盐岩是我国深都能源(如石油、天然气等)地下储存的重要方式,研究层状盐岩中储库稳定性的影响因素对于我国能源地下储存具有重要意义.基于宏观平均意义下考虑细观弯曲效应的三维Cosserat介质扩展粘弹塑性渐进破坏本构模型,运用FLAC3D通过数值模拟方法分析了硬质泥岩夹层含量、泥岩夹层与盐岩的刚度比对层状盐岩体中能源储存库稳定性的影响,同时对层状盐岩体中能源储库的运行内压、高径比、上覆层厚度等影响因素进行了分析,这将为我国含有硬质泥岩夹层的层状盐岩体中能源储库的修建和长期运营提供现实依据.     

TBM掌子面力学模型与滚刀破岩力推力预测

以掌子面岩体破坏前状态建立了滚刀推力作用的双集中力模型,采用弹性半空间理论的Boussinesq解答和叠加原理,给出了双滚刀协同作用下岩体应力分布的解析解。根据应力分布的特点和TBM破岩要求,提出了TBM破岩的必要条件；采用单轴强度理论和多轴强度理论,分别给出了滚刀破岩推力的预测公式。工程实例表明,采用本文提出的基于多轴强度理论的预测公式计算出的滚刀破岩推力与TBM工作时实际使用的推力非常吻合。     

盐岩水平储气库的相似模拟建腔和长期稳定性分析

利用地下盐穴作为油气储库是一种常见的方法。但由于中国地下盐矿层状盐岩居多,特点是单层厚度薄,不溶物含量高,因此单井造腔腔型控制难度大,造腔速度慢。根据双井对流建库方法,通过实验模拟建造的水平盐穴为模型基础,依据湖北云应地区盐矿地质条件和盐岩的物理力学性质,数值模拟其在不同埋深情况下建造后腔体长期运行体积收缩情况。通过实验发现采用双井对流造腔方法建设储气库是可行的,腔体的形状可以通过流量和油液分界面来控制。对地下盐岩水平储气库的岩石长期蠕变模拟发现,水平储气库随着埋深越大相同蠕变期内条件下腔体的体积收缩率和腔体周边塑性变形区体积也越大,同时使用寿命也越短。     

钙芒硝盐岩溶蚀的角度效应

为更深入的了解钙芒硝盐岩的溶解特性,促进水溶开采钙芒硝矿和盐穴储气库建造中钙芒硝夹层溶蚀的研究,对钙芒硝盐样以不同倾角在35℃恒温水中进行溶解速率和速度的实验。结果表明:钙芒硝在35℃恒温水中溶解速率和速度具有角度效应;倾角从90°~-90°变化时,溶解速率和速度越来越大,水溶采矿技术开采钙芒硝时应采用有利于上溶和侧溶,自下而上的开采技术;运用MATLAB对数据进行拟合,得出不同溶解角度下钙芒硝溶解速率和速度随时间变化规律的表达式,对水溶开采钙芒硝的相关研究和盐穴储气库夹层的溶蚀具有一定的指导和参考价值。     

金坛盐穴储气库上限压力提高试验

为了精确获取造腔层段最小主应力以确定盐穴储气库上限压力，确保气腔安全稳定运行且最大限度地发挥盐穴储气库的功能。在金坛储气库进行小型水力压裂地应力测试，测量5个层段的最小主应力，选取注采B井套管鞋处最小主应力22.5 MPa的80%，即18 MPa作为理论上限压力。上限压力的确定需进行数值模拟，研究表明，注采B井在上限压力18 MPa下满足气腔稳定性和密闭性的要求。根据注采站压缩机技术参数和安全考虑，金坛盐穴储气库确定了上限压力提高0.5 MPa的方案，且提压过程中利用实时微地震技术监测腔体及围岩的稳定性。经过现场提压试验，注采B井上限压力达到17.5 MPa，库容从3 481.06×10⁴ m³增加到3 590.39×10⁴ m³，工作气量从2 137.02×10⁴ m³增加到2 246.15×10⁴ m³，增加了5.11%。研究认为：虽然盐穴储气库行业普遍采用最小主应力的80%~85%的经验值作为盐穴储气库上限运行压力，但采取的上限压力需要进行数值模拟。通过理论模拟研究和现场试验，金坛盐穴储气库上限压力可以从当前的17.0 MPa提高到17.5 MPa。     

岩盐溶腔覆岩移动规律的研究

用概率积分法研究了岩盐水溶开采引起的溶腔上覆岩层移动规律，得出了覆岩的移动表达式及溶腔中心点处覆岩的下沉及变形公式。其结果与模拟试验结果是一致的。     

岩盐储气库水溶建腔岩盐溶蚀模型研究

为了深入研究岩盐水溶机理及溶腔形状变化规律,在岩盐水溶物理机理研究的基础上,根据物质平衡原理和Fick第一扩散定律,导出了水溶造腔腔体边界变化的动边界方程,建立了完整的岩盐溶蚀数学模型.通过计算机数值求解方法,对岩盐溶腔过程进行了动态模拟研究.结果表明,该岩盐溶蚀数学模型能够有效的反映腔体形状的变化规律,指导储气库水溶建腔.     

平顶山盐岩力学特性及废弃盐腔稳定性分析

为了分析废弃盐腔的稳定性,对平顶山盐矿、盐岩、泥质硬石膏岩样进行单轴和三轴压缩试验以及蠕变试验,获得相应的力学特征。对平顶山盐矿某区压裂井、连通井和单井等建库完成后的腔体稳定性进行了数值模拟。结果表明,盐岩层呈现良好的延性变形特征,含泥质硬石膏岩夹层呈现脆性变形的特征。溶腔形状对腔体位移、应力分析以及稳定性等影响较大,从溶腔废弃开始到运行10a,道1井溶腔的最大位移出现在溶腔顶部靠右侧的位置,D1-2单井溶腔的最大位移出现在溶腔围岩边缘腰部位置,而L3-3压裂井溶腔顶部的位移值过大,溶腔顶部和底部已经坍塌,在泥岩夹层处应力集中现象比较明显。道1井溶腔左上角和右上角位置出现塑性区,D1-2单井溶腔顶部位置出现塑性区,在D1-1和D1-2溶腔群的矿柱之间出现了比较大的应力集中。在储气库运行期间,应该提高储气库的最低运行压力并缩短其在低压下的运行时间。     

盐类矿床水溶开采机理分析

分析了盐类矿床的水溶开采机理，岩盐在水溶液中的溶解机理与规律，岩盐溶解之后的盐溶液运移传输规律，以及水力压裂双井对流系统溶腔形状的变化分析，通过理论分析，给出了岩盐溶解机理的数学表达式，盐溶液密度分布规律；运用流体力学理论，建立了水溶开彩盐溶液的运移传输规律，并最终建立了水溶开彩的数学模型，及水溶开朋中岩盐溶解、盐溶液运移及溶腔变形的控制方程，为水溶开彩理论的建立奠定了一定基础。     

长臂充填开采上覆岩层移动规律数值模拟

针对王河煤矿10903工作面在开采过程中引起地表下沉问题,用RFPA2D软件对不同弹性模量充填材料下的充填开采和全部垮落开采进行数值模拟,模拟了全部垮落法开采时岩层破坏和裂隙分布情况,全部垮落法随工作面推进关键层及地表下沉情况;不同弹性模量充填材料下的充填开采随工作面推进关键层及地表下沉情况.结果表明：全部垮落法开采会引起地表的塌陷,而充填法能有效控制关键层弯曲下沉量和地表沉陷.充填体弹性模量从1 GPa增加到5 GPa时,工作面前方垂直应力集中程度逐渐降低,关键层下沉量逐渐减小,最大下沉量从510 mm 减小至285 mm.最后通过地表沉陷观测验证了充填材料配比和数值模拟计算的合理性.     

漳村煤矿2502工作面过X12陷落柱方案的探究

针对漳村煤矿2502工作面X12陷落柱情况,本文运用FLAC3D数值软件模拟对工作面推进过程中陷落柱变形及煤层中应力变化情况进行了研究,研究结果表明：随着开采的进行,逐渐出现了较明显的应力集中现象。在过陷落柱期间,工作面顶板的破坏范围大约在54m,而底板的的破坏范围大约在22m。开采到距陷落柱35m时,采动作用对陷落柱开始作用。对过X12陷落柱进行可行性分析得出,采用采煤机截割与放炮破碎相结合的方式强行通过。工程实践表明,该方案保证了工作面的连续推进,不仅有效的控制了陷落柱对生产的影响,提高的煤炭资源的回收率,而且能为以后的工作面过陷落柱提供技术指导。