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。     

基于蒙特卡洛法的地下盐穴储气库顶板可靠性分析*

随着国内地下盐穴储气库的快速发展,储气库安全可靠性的研究具有重要的工程意义。本文建立了基于摩尔库伦准则的盐穴顶板失效函数,采用蒙特卡洛抽样法对储气库顶板安全可靠性进行了分析,克服了传统方法难以实现储气库稳定性量化的缺点。应用该方法计算了国内某盐穴储气库顶板的失效概率和可靠性指标,计算结果表明：顶板的可靠性指标随着盐穴埋深增大和夹层数增多而减小,随着储气库内压增大和顶板跨度减小而增大;盐穴储气库选址时建议尽量采用埋深较浅,夹层数较少的优质盐岩层进行溶腔造穴;盐穴储气库的顶板跨度对顶板可靠性影响最大,在满足储气库库容量的情况下,应尽量保证盐穴跨径比小于1;储气库的运行宜采用运行压力较大的运行模式,尽量减小低压运行时间。     

夹层对岩盐储气库水溶建腔的影响分析

为了研究夹层对岩盐储气库水溶建腔的影响,根据小挠度的薄板弯曲模型,建立岩盐地层中夹层的数学模型,通过对岩盐储气库水溶建腔进行动态模拟数值计算,分析夹层对岩盐储气库水溶建腔形态和建腔周期的影响规律,同时给出了夹层的强度较核和断裂极限长度的求解方法。研究结果表明,岩盐储气库应选择在夹层数量尽量少而薄的地层条件下建设,有利于腔体形态的控制,同时能够有效降低溶腔周期。     

层状盐岩储库夹层垮塌的理论分析

盐岩矿床中难溶泥质夹层的存在给水溶造腔施工带来了诸多不利影响,如何科学有效地对夹层的垮塌进行预测成为造腔施工中亟待解决的难题。提出了夹层的两种简化力学模型,在圆柱形储库弹性理论解的基础上,应用弹性板壳理论对直接顶板夹层和悬空型夹层分别进行了求解;结合材料的强度破坏准则和整体失稳准则,得到了夹层发生强度及失稳破坏的具体判别式;分别使用推导的公式和数值软件对造腔结束后作用在夹层上的最大径向压应力和最大径向拉应力进行了计算,理论解与数值解的计算误差在0~5%以内。针对国内某盐岩储库地质条件,应用推导出的判别式对造腔过程中夹层的垮塌进行了计算和判断。算例结果表明:推导的方法对难溶夹层的垮塌预测具有较好的实用性。     

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。     

江汉超深超大型盐穴洞形优化研究

针对盐穴储气库建设过程中面临的技术挑战,通过对不同尺寸溶腔围岩变形量、塑性区、体积收缩率和套管鞋高度等进行计算,模拟出不用内压条件下溶腔的安全性变化规律,并优化了腔体设计,保障了储气库经济效益和安全生产,也为超深超大型盐穴洞形优化以及储气库长期稳定运营提供参考.     

岩盐储气库溶腔数学模型研究

对盐岩地层建设地下储气库的溶腔数学模型进行了研究.为了设计和形成稳定的溶腔形态,依据流体力学、化学动力学及物质平衡原理,对水溶建腔机理进行了分析,建立了盐岩溶腔溶质传输-流体流动数学模型;根据流体力学基本原理和对流扩散理论以及物理模拟基本规律,建立盐岩溶解速度方程;并通过数值方法对腔体态进行了模拟研究.结果表明,在合理的工艺条件下,通过盐岩水溶开采可以获得稳定的腔体形态,以满足地下储气库的要求.从而为盐穴储气库的溶腔设计提供理论依据和决策手段.     

盐穴储气库水溶造腔工艺优化研究与现场应用

盐穴储气库在天然气行业所占比重越来越大，金坛储气库作为国内第一座投产的盐穴储气库，经过工程建设实践发现，很多溶腔工艺存在较大的优化空间。通过分析储气库水溶造腔流程，对造腔过程中涉及到的提高造腔效率，减小造腔耗能以及盐层最大化利用进行分析，提出了水溶造腔的优化工艺：采用反循环造腔大幅度增加排卤盐度，减小井下作业次数缩短不必要的停井时间以加快水溶造强进程，安装光纤界面仪实现阻溶剂界面的实时监控，优化注水量大幅度减小能耗，处理厚夹层以及整体扩容腔体对盐层进行最大化利用。     

金坛盐穴储气库畸形对盐腔体积影响

金坛盐穴储气库属于层状盐岩型储气库，建设过程中经常出现腔体畸形、偏溶现象，严重降低盐腔有效体积。研究腔体畸形对盐腔体积的影响规律，并在造腔过程中加以控制，将有助于加快库容工作气形成。结合金坛盐穴储气库实际盐腔情况，分析了腔体畸形、偏溶和底坑形状对盐腔有效体积的影响，并根据其形成原因给出了相应解决措施。结果表明，金坛盐穴储气库畸形、偏溶腔体约占总数的30%，畸形系数（11.8~90.1）×10^-3，畸形系数越大盐层利用率越低；畸形导致横截面为椭圆形，且不同深度的腔体直径差别较大，使腔体周围盐层利用率降低；偏溶使井间矿柱宽度过低，矿柱比减小，腔体直径受限，腔体积严重降低；底坑形状可分为“V”形、“一”形、“\”形、“A”形4种，其注气排卤效率依次降低，其中，“\”形、“A”形最不利盐腔空间利用，严重降低储气体积。对于腔体畸形可采用的控制手段有降低排量、采用正循环、天然气阻溶回溶等技术。对于偏溶可采用预测偏溶方向合理设计井位、降低矿柱比增加腔体直径等措施。底坑畸形尚无有效控制手段和提高注气排卤措施。该研究为后期腔体形状控制和提高盐腔体积奠定了理论基础，将有助于加快金坛盐穴储气库建设速度。     

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。     

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。     

注采与储存过程储油盐穴溶腔内温度变化研究

盐穴储油库内的原油温度是影响储库安全运行的重要参数,经过合理简化,基于能量守恒构建热模型,利用有限容积法对岩盐溶腔温度场求解,并结合美国SPR实际工程数据,分别模拟了注油、储存工况.计算结果与试验数据吻合较好,最大误差为0.33%,结果显示在注入阶段溶腔内流体的温度变化显著,原油与卤水温度平衡所需时间较长,但溶腔与岩层间径向热流量将逐渐减小,该算例储存的62个月温度仅升高1.6 K.     

盐穴储气库垫底气利用方案研究

为保证盐穴的安全,盐穴储气库运行过程中留有垫底气,这是盐穴储气库的特点之一,也是盐穴储气库的缺点。为充分利用盐穴储气库的垫底气,首先介绍了紧急工况下的最小运行压力概念,并给出基于屈服-扩容-破坏复合强度理论的设计准则,该方法能够采出部分垫底气;其次,为了置换出全部的垫底气,提出饱和卤水置换盐穴储气库垫底气的技术方案,该方案能够置换出全部的垫底气,但该方案需要大量的饱和卤水;然后,提出采用高压空气置换盐穴储气库垫底气,利用饱和卤水作为隔离介质,高压空气推动饱和卤水,饱和卤水推动天然气来置换出全部垫底气,该方案仅需一口溶腔的饱和卤水作为隔离介质,就可以用空气置换出全部的垫底气,但置换效率受制于液体的流动速度;最后介绍了一种内胆式盐穴储气库,该型储气库为无垫底气式储气库,能够高效采出全部的天然气,并能保持盐穴内压在一个较高的压力水平,有利于盐穴的稳定,能够延长其使用年限。     

双重介质固气耦合模型及含夹层盐穴储气库渗漏研究

提出孔隙裂隙双重介质固气耦合理论;将夹层视为多孔连续介质,层间结构面视为裂隙介质,在建立双重介质固气耦合微分控制方程的基础上,提出双重介质固气耦合模型的求解策略并开发三维有限元计算程序;对含夹层盐穴储气库的天然气渗漏规律进行数值研究.研究结果表明:夹层、层间裂隙区为应力降低区,透气性远比岩盐体的强;在内压p=8 MPa时,在2 a的运行时间里,仅在距库壁125 m处夹层和层间裂隙内出现0.2 MPa的气压,气体渗漏率先增加后减小,最终保持平稳,表明在含夹层的岩盐矿床内建造地下储气库是可行的.     

高杂质盐矿已有溶腔大规模储气技术研究进展

加快建设大型地下盐穴储气库是保障我国能源安全的迫切需求,但在现有的盐岩储库建设标准和技术体系下,我国高杂质盐矿水溶开采形成的溶腔难以用于建设大型地下储气库。为摆脱这一困境,在广泛调研我国盐矿地质和水溶采矿特点的基础上,综合采用水溶采矿理论分析和现场声纳探测等研究手段,摸清高杂质盐矿采卤溶腔的三维形态,研究发现盐矿不溶物沉渣堆积散体的空隙率高且连通性良好,具备大规模储气的基本条件。基于这些发现提出了从溶腔底部排出空隙卤水的新思路,进而形成了高杂质盐矿已有溶腔改建大型地下储气库的技术体系。相关理论和技术成果突破了盐矿品位对建库可行性的限制,建库可选范围及建库规模扩大数倍,可为天然气储存及压缩空气储能等能源储备工程提供重要参考。     

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。     

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。     

盐穴储气库回溶造腔技术研究

为提高地下盐穴储气库的经济性,在确保运行安全前提下,开发企业要求盐穴储气库地下净体积尽可能大,而在造腔过程中由于地质情况、工程故障以及认识不到位等原因导致腔体部分盐层未得到充分溶蚀,体积没有达到最优,为充分利用日渐匮乏的适合建库盐层,有必要进行回溶造腔,提高单腔有效体积。利用注气排卤管柱,在注气排卤后,回注淡水,驱顶天然气使卤水界面至设计深度,对界面下盐层进行回溶扩腔。为此,建立了回溶造腔数学模型,并针对金坛储气库L井进行回溶造腔模拟研究。结果表明,L井回溶造腔一个轮次可有效提高腔体有效体积13.04%,效果显著。研究结果对提高盐层利用率和已有腔体有效体积等具有重要意义。     

箭型蜂窝夹层板力学性能及等效方法研究

针对箭型负泊松比蜂窝夹层板,给出了线弹性范围内蜂窝芯层的等效力学参数理论公式,并通过拉伸试验和有限元仿真验证了公式的准确性.分别选取三明治夹芯板理论、Reissner等刚度理论、Hoff等刚度理论对夹层板进行等效,建立等效后的有限元模型,完成静力分析和模态分析,与实体单元模型的计算结果进行对比.结果表明:在不同加载形式下,考虑了芯层剪切刚度和面板弯曲刚度的三明治夹芯板理论,等效精度最高,更适合用于箭型负泊松比蜂窝夹层板的简化分析.     

矩形夹层板的非线性弯曲问题

本文将非线性弯曲的理论引入夹层板的表板,在考虑表板抗弯刚度情况下导出了矩形夹层板非线性弯曲的基本方程,并进一步求解了四边固支的矩形夹层板的大挠度问题,所得结果的线性项部分与文献(2)的线性理论的计算结果基本相同。本文并讨论了线性理论适用的范围。本文的公式便于工程应用。