关于盐岩储气库稳定性评价标准的研究

关于盐岩储气库稳定性评价标准的研究韩琳琳，蒋小权（中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074）E-mail: linlinand@摘要：我国的储气库还没有一个标准的稳定性评价标准，本文在先前学者所做研究的基础，对储气库稳定性评价标准做出探究。

首先对盐岩及基本知识及现在的发展状况做出简单的介绍，然后从储气库的稳定性、密闭性、可用性等方面对储气库稳定性评价标准做出探究。

最后得出我国的储气库要根据所在位置的地质构造，在根据盐岩的地质条件，做出具体的稳定性评价。

关键词：工程地质学基础；储气库；稳定性评价标准中图分类号：TU457 文献标识码：A0 引言岩石地下工程的稳定性是指其在正常的使用情况下，必须保持预定的尺寸和形状，满足其它特殊性的要求。

稳定性问题是岩石地下工程的一个重要研究内容，关系到工程施工的安全性及其运行期间满足工程截面大小和安全可靠的要求，有的地下工程不稳定，还将造成对周围环境的影响，如地面建筑物的损坏以及工程地质条件的恶化等。

由于盐岩属于一类特殊的岩体，盐岩矿床中天然气地下储存库的稳定性，实际上是一个气、液、固三相耦合的非常温、非线性、非均质的复杂的深部岩石工程问题，其显著特点是固体区域与流体区域互相包含、互相融合，形成相互重叠在一起的连续介质，并且不同相的连续介质之间可以发生相互作用，难以明显地区分开。

因此，盐岩地下储气库的稳定性分析方法与其他岩石地下工程有差别[1～2]，其稳定性评价标准在各国并没有统一的标准和设计规范，多数是用数值计算的方法来评价储存库的稳定性，主要做法是根据具体的储气库及其岩体力学特性，预先设置储存库稳定性的一些标准，然后对盐岩及其相关的岩石进行大量的试验研究，得到所需要的计算参数，最后通过数值计算来确定储存库的稳定性[3～6]。

1 盐岩的基本知识及发展现状盐岩由饱和的多源卤水在长期的地质年代作用下，历经盐的结晶、沉淀和积聚等发展过程，经过几十、上百万年的演变以及后期的覆盖保护，在一定的自然地理条件下形成的。

岩盐矿床是氯化物、硫酸盐、碳酸盐、等岩盐物质在地质作用过程中，在适宜的地质条件和干早的气候条件下，水盐体系天然蒸发、浓缩而形成的天然卤水和化学沉积矿床，其开发利用的主要对象就是其中的岩盐矿物及矿床本身。

由于盐岩的低渗透性、良好的蠕变行为和损伤自我恢复性，使得盐岩已被公认为储存天然气的理想场所。

鉴于我国能源的需求、储备的实际情况和盐矿资源分布情况，储库的建设得到了国家和许多学者越来越多的重视。

国外已有关于储气库的稳定性评价标准，但是由于我国盐岩层数多，单层厚度薄，不可溶夹层含量多的特点，使得其稳定性评价成为一个难题。

近年来我国也开始了储气库的建立，对盐岩的研究也越来越多，关于储气库稳定性评价的研究也越来越多。

近年来关于储气库的研究有：尹雪英(2006)[7]利用有限差分软件FLAC3D，对金坛盐矿某区老腔的腔体稳定性以及腔体蠕变规律进行了数值模拟；陈峰(2006)[8]探讨了某盐矿天然气地下储存库最低内压工况下，腔周损伤区的扩展、变形规律及最长持续运行时间；陈卫忠(2006)[9]利用ABAQUS有限元对某废弃盐岩溶腔的储存库岩柱的蠕变变形规律及腔顶蠕变损伤区的范围进行数值模拟，并对废弃溶腔作为天然气地下储存库时的工作压力和储存库套管鞋高度设计作了有益的探讨。

然而，与国外比较成熟的储气库稳定性评价研究相比，我国关于储气库的稳定性评价较少，而且不是很成熟。

此外，由于我国层状盐岩的“盐岩层数多，单层厚度薄，含盐岩地层的不可溶解性夹层众多”的特点，使得我国的盐岩储气库稳定性评价难上加难。

2 盐岩储气库稳定性评价标准的研究层状盐岩中天然气地下储存库的岩石力学设计包括储存库埋深、直径、高度，顶板和底板盐岩保护层安全厚度，顶板合理形状，储存库之间矿柱安全宽度，储存库距非盐岩地层边界安全距离等几何参数以及最大、最小内压界限值、最大采气速率(天然气外输最大速率，即储存库中天然气内压降低最大速率)等运营参数。

同时为了充分利用储存场盐岩资源，取得最大经济效益，应该使盐岩利用效率(所需储存体积与所需盐岩范围体积之比)越大越好。

图1形象地标出了在层状盐岩中进行天然气地下储存库岩石力学设计所要考虑的问题。

图1 层状盐岩中天然气地下储存库岩石力学设计所须考虑的问题Chart 1 Question about Rock Mechanics Design of Natural Gas Underground Storagein Layered Rock Salt对于层状盐岩矿床中天然气地下储存库这类岩石地下工程而言，其稳定性问题包含围岩稳定性与天然气渗漏量的控制两重含义。

总的来说，可以概括为三个方面：(1) 储气库的稳定性；(2) 储气库的密闭性；(3) 储气库的可用性。

2.1 储气库的稳定性 研究层状盐岩中天然气地下储存库的稳定性必须包括下列内容：储存库顶板的稳定性，储存库底板的稳定性，储存库腔壁的破坏，储存库之间的矿柱的稳定性等。

层状盐岩中天然气地下储存库的稳定性主要是保证储存库在施工建设期间和运行期间的稳定性，在设计时主要考虑储存库的最小内压准则，包含以下几个准则：(1)片帮破坏准则；(2)折曲破坏准则；(3)蠕变破坏准则；(4)安全矿柱准则。

2.1.1 片帮破坏准则片帮是指矿井、巷道、洞库等地下工程侧壁在矿山压力作用下变形，破坏而脱落的现象[10]。

地下工程开挖时，会发生应力重新分布，盐岩地下洞室中，由于盐岩强度较低，在围岩压力作用下，也极易出现侧壁开裂剥落等破坏现象。

对于层状盐岩中天然气地下储存库而言，当储库内压降低时，溶腔侧壁会产生裂隙，进而出现宏观断裂扩展、开裂剥落，若控制不好，容易造成“顶底板弯曲变形→两帮挤压破碎→片帮、垮帮→两帮对顶底板支撑减弱→顶底板弯曲变形加剧→两帮破坏加剧”的恶性循环过程，最终导致地下储存库围岩局部破坏发展到整体失稳。

因此，在层状盐岩中天然气地下储存库不允许出现片帮。

运用摩尔库伦准则：ϕϕσσN c N f s 231+−=3σσ−=t t f式中，N φ=(1+sin φ)/( 1-sin φ)；σ1、σ3分别为最大和最小主应力；σt 分别为层状盐岩的抗拉强度。

当f s =0时，层状盐岩将发生剪切破坏；f t =0时，层状盐岩将发生拉伸破坏。

2.1.2 折曲破坏准围岩折曲破坏主要表现在层状岩体中，当洞室顶部和底部有水平成层的岩体时，则往往出现向下或向上的挠曲折断破坏；当洞室侧壁有垂直向层状岩体时，则侧壁容易出现片邦折断破坏。

洞室周围围岩性质对折曲破坏的发生有极大的影响，在薄层岩体中，围岩强度较低时，最容易出现朝洞内的折曲破坏，进而引发洞室坍塌。

因此，对于层状盐岩地下储存库而言，顶、底板盐岩层及夹层不允许出现折曲破坏。

一般而言，只要产生屈曲岩石中的拉应力小于岩石的抗拉强度时，就不会产生折曲破坏。

2.1.3 蠕变破坏准则不同于受拉和受压破坏瞬时特征，盐岩的蠕变破坏是盐岩的蠕变变形随时间非线性累进的过程[11]。

对于层状盐岩中天然气地下储存库而言，储存库周边盐岩由于采气引起的内压降低以及在最小内压下会产生蠕变应变，可以用下式来表示此时储存库的稳定性状态：εεu c F = 式中，ε为有效应变；εu 为极限应变，如果F c ＞1则认为储存库是稳定的,不出现蠕变破坏。

盐岩极限应变与储存库所处的盐岩蠕变力学特性有关，各地盐岩不相同，各个国家的标准不尽相同。

2.1.4 安全矿柱准则一般而言，一个盐岩中天然气地下储存场都是由多个储存库组成的，为了确保储存库群的安全稳定，一个储存库与另一个储存库之间必须有足够的安全距离；同时对于有限面积内的盐岩矿床资源而言，储存库之间间距越小，意味着能建设更多的储存库，盐岩利用率更高。

因此，相邻储存库之间的间距应在确保储存库稳定的安全距离的基础上，越小越好。

而储存库安全距离的合理确定，必须使两个储存库之间的矿柱中间部位的应力小于盐岩的长期强度(大约对应于30%的瞬时强度)，必须使该区间的宽度大于一个规定值。

这个宽度值B 可由下式确定：KD B =式中，D 为单个储存库的直径；K 为安全系数，德国一般取 1.5~3.0，而美国一般取值为1.75~2.5。

2.2 储气库密闭性的研究层状盐岩中天然气地下储存库的密闭性是保证储存库在运营期间，储存库中的天然气不泄漏，低渗透率的盐岩为保证储存库的密闭性提供了必要条件。

为了保证储存库的密闭性，其准则就是储存库在内压作用下不能增加盐岩的渗透率，主要考虑层状盐岩的损伤扩容准则、水力压裂准则和层面滑动准则。

通过对钙芒硝试件的蠕变一渗透试验研究，得出损伤后的岩盐渗透率数量级为:10-16～10-14m 2，其渗透率是有效体积应力的负指数函数:k=15.93×10-16exp(一03853)，渗透率非常低，为储气库的密闭性提供了条件。

2.2.1 损伤扩容准则当盐岩承受荷载时，盐岩会产生两个与应力相关的区域，即扩容区域和压缩区域。

图2为根据Hunsche(1996)[12]试验数据得出的盐岩短期压缩破坏和扩容边界线。

051015202530051015202530八面体剪应力/M P a 八面体正应力/MPa图2 盐岩短期压缩破坏强度和扩容边界线Chart 2 Short-term Compression Strength of Rock salt and the Boundary Line of Expansion从图2可知，在扩容边界线以下，盐岩处于压缩状态，微裂缝逐渐减少甚至愈合，盐岩的损伤程度在不断地降低，盐岩的渗透系数也在不断地降低，在这个区域里盐岩就不会发生破坏；在扩容区(由扩容边界线和破坏下线所围成的区域)随着应力的不断增加，盐岩中的微裂隙将不断地增多，损伤程度不断加强，盐岩的渗透率不断增大，最后导致盐岩的破坏。

因此，为了确保层状盐岩中天然气地下储存库的密闭性，应尽量使储存库中的盐岩工作应力处在损伤扩容临界线的下方，使盐岩不产生损伤，达到安全储存的目的。

2.2.2水力压裂准则由岩石力学知识可知，地壳中存在三向地应力，水力压裂时所需的破裂应力和破裂方向与三向应力直接相关，水力压裂裂缝总是沿着阻力最小的路程发展，也就是垂直于最小主应力的平面产生和扩展的。

当加载的时候，岩盐会以两种方式做出反应，这两种方式以膨胀边界分为非膨胀区域和膨胀区域。

只要应力状态保持在非膨胀区域内，岩盐只会产生塑性变形而不会有裂纹的萌生和扩展。

这种关系到岩盐由延性变形向膨胀变形的应力状态转变即是膨胀边界。

实际中，膨胀边界不仅仅是一条清晰的线，膨胀边界可以清晰地与代表损伤发生的平均强度区分开来。

膨胀区域代表了微裂纹的演化和损伤的积累。

随之，渗透性变化和失稳破坏的可能性增加。