周期性荷载作用下盐岩储气库长期变形特性研究
盐穴地下储气库建库技术_丁国生
过程中通过调整施工参数来控制腔体的形态, 使腔 体达到设计的要求。腔体形态的检测技术主要通过 声纳测定技术来完成, 其主要原理是声纳设备下入 腔体中, 向溶腔壁发射定向声波, 声波经腔壁反射后 在被声纳仪接受, 经过分析计算后可以得出仪器距
部完成溶腔的建设。 金坛盐矿地下储气库的建成, 在该地区用气高
包括两个阶段, 第一阶段为水力试压检测, 通过向溶 盐穴地下储气库的各项技术, 在未来一段时间内, 随
腔内注水保持溶腔中部深度的压力达到正常压力梯 度下压力的 1. 5~ 1. 8 倍, 并保持一段时间, 同时检 测溶腔压力变化情况。一般情况下, 如果在 72 小时 内压力能够保持稳定不降, 则可以进行下一阶段的
盐穴储气库的建库基本地质条件
盐穴储气库一般选择在盐层厚度大、分布稳定的 盐丘 或盐 层上, 选 择盐 穴建 库要 遵循 以 下几 条 原 则122: ¹ 盐层厚度大, 无断层影响; º 盐层品位高, 便 于水溶造腔; » 顶板强度大, 有利气库安全; ¼盐层内 部夹层少、厚度小, 有利造腔; ½ 埋深大于 400 m, 保证 一定储气能力; ¾水源充足, 保证造腔用水。
注气量的多少主要依据溶腔体 积, 而溶腔体积 可根据采卤量及其盐浓度来计算获得。随着溶腔不 断变大, 顶板处的气层厚度不断变小, 所以在气垫开 采过程中需要不断补充气体, 使气垫层保持一定的 厚度, 才能使得顶板盐层不会被溶解。这是形成稳 定溶腔防止顶板脱落, 有效地保护顶板的一项措施。
( 2) 油垫法: 油垫建腔与气垫建腔原理、目的一 样, 也是为了建造稳定的溶腔形状, 保护顶板不受溶 蚀, 使溶腔达到一定高度以后, 溶蚀向横向发展, 从 而达到建立足够大的溶腔。
洞
穴
位置
数
盐岩所属的岩石类型
盐岩所属的岩石类型1. 引言盐岩是一种特殊的沉积岩，由于其在地质学和工程领域的重要性，对其进行深入了解是非常有意义的。
本文将详细介绍盐岩的定义、形成过程、组成成分以及在地质学和工程中的应用。
2. 定义盐岩是一种由含盐水沉积物形成的沉积岩。
它主要由石膏、方解石和卤石组成，其中石膏是最常见的成分。
盐岩通常呈现出白色或灰色，并且具有明显的层理结构。
3. 形成过程盐岩主要形成于海洋或湖泊中，当水体中溶解的盐类浓度超过饱和度时，就会发生沉淀作用。
当水体蒸发或者湖泊干涸时，残留下来的盐类就会逐渐结晶并沉积在底部。
在这个过程中，由于地壳运动和构造活动等因素的影响，已经形成了许多巨大且连续性较好的盐层。
这些盐层通常位于深埋地下，是由覆盖在其上的沉积物所保护。
4. 组成成分盐岩主要由石膏、方解石和卤石组成。
其中，石膏（CaSO4·2H2O）是最常见的成分，占据了盐岩中的大部分。
方解石（CaCO3）和卤石（NaCl、KCl等）也是常见的成分。
此外，还有一些微量元素和杂质存在于盐岩中，如镁、钾、锶等。
这些元素的含量可能对盐岩的性质和用途产生一定影响。
5. 地质学意义盐岩在地质学中具有重要意义。
首先，它们记录了地球演化过程中海洋或湖泊环境的变迁。
通过对盐岩层序的研究，可以了解到古代海洋或湖泊环境的演变历史。
其次，盐岩还可以作为构造运动和构造活动的指示物。
当地壳发生拗裂或挤压变形时，盐层会发生流动和迁移，从而形成各种构造特征，如断层、褶皱等。
因此，通过对盐岩构造特征的研究，可以了解到地壳运动的性质和历史。
6. 工程应用由于盐岩具有一些特殊的物理和力学性质，使得它在工程领域中有着广泛的应用。
首先，盐岩具有较高的可溶性。
当盐岩与地下水接触时，水会溶解掉其中的盐类，从而导致盐岩体积发生变化。
这种现象称为溶蚀作用。
在地下工程中，需要考虑到这种溶蚀作用对结构稳定性的影响。
其次，由于盐岩层通常具有较好的连续性和稳定性，在地下储气库、储水库等工程中可以作为理想的封闭层或隔离层使用。
盐岩短期强度和变形特性试验研究
40
偏应力/MPa
30
围压 0 MPa
20
围压 5 MPa
围压 10 MPa
10
围压 15 MPa
0
0
2
4
6
8
10
轴向应变/%
图 7 金坛盐岩不同围压下偏应力–轴向应变曲线
Fig.7 Deviatonic stress-axial strain curves of Jintan rock salt
Abstract：The rock salts from Yingcheng mine of Hubei Province and Jintan mine of Jiangsu Province were studied through uniaxial compression，triaxial compression and Brazilian tests. The properties of short-term strength and deformation of the two rock salts were analyzed. The experimental results indicated that the rock salts from two different places exhibit similar mechanical behaviors though there are some quantitative discrepancies. The failure of two kinds of rock salts can be described well by Mohr-Coulomb failure criteria. The results also indicated that the rock salts have considerable plastic deformation capability and dilatant deformation capability； and the rocks behave obvious strain hardening characteristic under high confining pressure. The presented results can be expected to provide useful references to the stability analysis of rock salt in underground engineering and the site selection of energy storage in rock salts. Key words：rock mechanics；rock salt；short-term strength；compression test；strain harden；dilation
金坛盐矿老腔储气库长期稳定性分析数值模拟_尹雪英
为了对西气东输天然气使用不均衡性进行调 节，提高供气的可靠性，通过金坛盐矿现有采空盐 穴中挑选出比较好的腔体建设储气库，在现场对其 进行了腔体边界测试，本文选取了位于金坛盐矿某 区 1 号，2 号井为研究对象进行模拟，两井间距 104.43 m，根据声纳测井资料，1 号、2 号两井的腔 体模型参数如下：
4 计算方案及计算结果分析
4.1 稳定性计算 采用 FLAC 中的摩尔—库仑弹塑性模型,其材
料特性常数如表 1 所示：
图4 腔周塑性区分布示意图 Fig.4 Plastic zone after excavation
表 1 稳定性计算参数 Table 1 Counting parameters for stability
图 2 2 号井模型示意图 Fig.2 Model of salt caverns ＃2
2.3 计算模型的选择 根据需要，在进行岩盐溶腔稳定性的数值分析
之前，对所建立的数值计算结构模型进行了必要且 合理的简化处理：①将各复合岩层均近似地视为各 向同性均质连续体；②假设各复合岩层之间是牢固 粘结的，即各复合岩层之间的位移是连续的[4]。
摘 要：盐穴储气库作为油气储气库的主要类型之一，已经在发达国家普遍采用。随着“西气东输”工程的进行以及天然气
工业的不断发展，我国将会有更多的盐穴地下储气库建成并投入运行，因此怎样科学合理地分析盐穴储气库的稳定性已显得
第三章 含盐系地层岩石力学特征
第三章含盐系地层岩石力学特征盐穴的稳定性和密闭性是在盐岩中成功建造储气库以及储气库安全运行所涉及的两个重要问题，稳定性和密闭性与盐岩力学特性密切相关。
已有研究表明:盐岩具有较低的渗透特性、良好的蠕变特性和较强的裂隙自愈性，其力学性能较为稳定，对建设储气库和储气库运行压力的变化有较大的适应性。
因此，充分了解掌握含盐系地层的盐岩、含夹层盐岩及非盐岩夹层等的岩石力学特征，预测和评价盐穴储气库的稳定性，对于盐穴储气库库址的选择、盐腔库容参数的设计和运行参数的控制，避免盐岩由于围岩应变或应力达到其极限而产生损伤以及损伤扩展，造成存储介质渗漏和盐穴储气库整体失稳，均具有重要的实用价值和工程实际意义。
第一节岩石力学特征测定方法含盐系地层岩石力学特征包括短期强度特征和蠕变特征。
通过室内岩石力学实验，获得盐岩常规及蠕变力学参数，是研究岩石强度特征和变形规律的重要手段。
室内岩石力学实验主要包括常规力学实验和蠕变实验。
常规力学实验包括巴西劈裂实验、单轴压缩实验、三轴压缩实验、直接剪切实验;蠕变实验包括单轴压缩蠕变实验和三轴压缩蠕变实验等。
一、岩石力学实验设备实验采用三轴岩石力学实验机，图3-1为三轴岩石力学实验装置原理示意图。
图3—1 三轴岩石力学实验装置原理示意图目前，国内外生产的电液伺服三轴岩石力学实验仪器的厂家有很多，如美国MTS公司、日本岛津公司以及长春朝阳实验仪器有限公司等。
长春朝阳实验机有限公司生产的RLW一2000三轴剪切蠕变实验仪器,由轴向加载系统,围压加载系统、控制系统以及计算机控制与测量系统4部分组成(图3 -2)。
其中最大轴向实验力为2000kN ,最大围压为80MPa,最大剪切实验力为1000kN。
实验过程中荷载误差不超过200N ,仅为最大加载轴向力的0. 01%。
a 轴向加载系统b 控制系统图3—2 三轴岩石力学试验仪器部分图二、岩心试样处理和加工钻取的岩心应清洗、晾干、标记、蜡封，而后装入岩心盒，防止运输震动和人为因素造成损坏。
盐穴储气库造腔管柱损坏机理研究
盐穴储气库造腔管柱损坏机理研究郑东波;黄孟云;夏焱;班凡生;周俊驰【摘要】在盐穴储气库的溶腔过程中,造腔管柱经常会发生严重的弯曲和损坏,有必要针对此现象进行造腔管柱损坏机理研究.通过调研国内外盐穴地下储气库的造腔管柱损坏案例,着重分析临界流速和动力失稳的2种模型.通过研究,认为在实际注入速度下造腔管柱必然发生振动失稳,同时管柱的轴向力及温度的影响会导致管柱发生轴向应力、应变,这是管柱发生屈曲的主要原因之一.【期刊名称】《重庆科技学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(018)002【总页数】4页(P90-93)【关键词】盐穴;储气库;管柱;应力应变【作者】郑东波;黄孟云;夏焱;班凡生;周俊驰【作者单位】中国石油集团钻井工程技术研究院,北京102206;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油化工股份有限公司天然气川气东送管道分公司,武汉430073;中国石油集团钻井工程技术研究院,北京102206;中国石油集团钻井工程技术研究院,北京102206;中国石油集团钻井工程技术研究院,北京102206;中国石油大学(北京),北京102249【正文语种】中文【中图分类】TE931盐穴储气库选腔管柱建腔过程中，不可避免会产生一系列管柱问题。
国内学者已就造腔管柱弯曲问题进行了研究。
施锡林等人针对我国盐岩矿床中一些难溶夹层盐穴储气库建设过程中的溶腔管柱损坏做了深入研究[1]。
他们的研究是以岩石垮塌力学机制为背景，同时结合弹性板块理论对溶腔内的夹层局部垮塌以及整体失稳进行论述，最终给出了一种计算夹层极限跨度的方法。
其研究结论对盐穴储气库在水溶造腔过程中可能出现的夹层垮塌预测和控制有一定的指导意义。
夹层垮塌也有可能是造成溶腔管柱破坏的主要原因之一。
李银平等人针对盐穴储气库单井水溶造腔过程中的管柱动力特性进行探讨[2]。
他们认为在造腔过程中，管柱在受限空间里的自激震荡及动力失稳是造成溶腔管柱破坏的主要原因。
平顶山地下盐穴储气库泥岩夹层稳定性评价
平顶山地下盐穴储气库泥岩夹层稳定性评价王志荣;王永春;高志俭;陈玲霞【摘要】泥岩夹层在盐溶建腔阶段难以被溶蚀,盐层溶采后仍赋存于腔内.针对平顶山地下储气库在储气运行阶段,未被溶蚀的夹层因岩体流变性出现垮塌而影响储气库安全运行的难题,提出一种基于夹层垮塌时间的稳定性评价方法.首先,根据弹性板壳理论建立夹层力学模型,解得夹层局部破坏的极限应变;其次,根据夹层岩样蠕变实验,建立蠕变本构模型.最后,结合夹层力学模型与蠕变本构模型,建立垮塌时间计算模型,并利用基于PSO算法的Matlab程序对平顶山储气库夹层不同预设厚度的垮塌时间值计算,对临界垮塌厚度值进行反演计算.结果表明:随夹层厚度增加,其计算垮塌时间增大,夹层稳定性提高;厚度相同的夹层,其跨径越大,计算垮塌时间值越小,计算临界垮塌厚度值越大,即稳定性越差;对小于临界垮塌厚度的夹层,其在设计使用年限内垮塌失稳风险较高,反之则垮塌失稳风险较小.【期刊名称】《高校地质学报》【年(卷),期】2019(025)001【总页数】9页(P116-124)【关键词】泥岩夹层;力学模型;蠕变本构模型;垮塌时间;临界垮塌厚度;稳定性评价【作者】王志荣;王永春;高志俭;陈玲霞【作者单位】郑州大学水利与环境学院,郑州450001;郑州大学水利与环境学院,郑州450001;河南省地矿建设工程(集团)有限公司,郑州450000;郑州大学水利与环境学院,郑州450001【正文语种】中文【中图分类】P618.13国外开始以深部盐腔体作为石油、天然气、工业废气等的理想储藏构造。
随着中国“西气东输”能源战略工程的启动，于盐腔体内部兴建天然气中转站—储气库，进入蓬勃发展时期，国内部分地区储气库已建成并投入使用，如江苏金坛，湖北云应等。
河南平顶山盐田位于“西气东输”一线与二线间，是中国中部地区储气库建设选址的理想区域。
但事实上，因特殊的古地理条件与复杂的含盐系沉积规律，平顶山盐田呈现出盐岩与泥岩相间互层的典型特征，盐溶建腔阶段结束后，往往出现部分夹层未被溶蚀而呈悬空状态赋存于腔体内部的现象（Asgari etal.,2012;Evans,2013;丁国生等，2015；肖学兰，2012；郑雅丽等，2017；李银平等，2012）。
储气库建设与运行过程安全风险分析及对策研究
储气库建设与运行过程安全风险分析及对策研究摘要：现如今，天然气成为人们生活中必不可少的能源之一，需求量呈现不断增多趋势。
在天然气产业链中，地下储气库是“产、运、储、销、用”的五大关键环节之一，是实现天然气季节性调峰和大规模储备的重要基础设施。
按照天然气储备场所和方式的不同，天然气存储可分为地面罐装存储和地下储气库存储。
地面罐装存储包括地面储气罐储气、高压管束储气、管道储气及LNG储气等；地下储气库按地质构造可分为枯竭油气藏储气库、含水层地下储气库、盐岩储气库及地下矿坑储气库等。
地下储气库储存天然气具有储量大、经济性好、安全性高、占地面积小以及受气候影响小等优点。
根据对世界范围内所有地下储气库的工作气量与日采气能力统计，地下储气库主要为气藏型，其工作气量约占总量的75%；其次是地下含水层储气库，其工作气量约占总量的12%；最后是盐岩储气库与油藏型储气库，其工作气量约各占总量的7%、6%。
关键词：储气库；安全风险；对策引言据中国天然气发展报告可知，中国天然气消费量从2018年的2803×108m3上升至2022年的3663×108m3，年均增长215×108m3；天然气产量从2018年的1603×108m3上升至2022年的2178×108m3，年均增长143.75×108m3。
据此测算，2018—2022年天然气对外依存度均超过40.5%；预计2023—2040年中国天然气消费量与产量将持续增长，对外依存度将仍居高位，天然气安全供应压力持续增加，持续提升储气库调峰保供能力是确保中国天然气安全的必然选择。
经过20余年持续攻关，针对复杂的库址资源条件，中国储气库高效建设与安全运行系列技术取得重要突破，储气能力实现了从40×108m3到192×108m3的跨越，但复杂地质条件下储气库的建设与运行在理论和技术方面仍面临诸多挑战。
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基金项 目： 国家 自然 科 学 基 金 项 目 （ ５ １ ０ ０ ４ ０ ４ ９ ） ； 河南省教育 厅 ２ ０ １ ０年 度 自然 科 学 研 究 计 划 项 目 （ ２ ０ １ ０ Ａ ４ ８ ０ ０ ０ ２ ） ； 河 南 省 高 等 学校青年 骨 干 教 师 资 助 计 划 项 目 （ ２ ０ ０ ９ Ｇ Ｇ Ｊ Ｓ 一０ ６ ３） ； 华 北 水 利 水 电学 院 高 层 次 人 才 科 研 启 动 基 金 项 目
盐 岩具有 气 密性 好 、 分布广、 规模 大 、 构 造 和 水
文 地质 条件 简单及 盖 层 隔水 性 能 良好 等 特 点 ， 已成 为 很多 国家 能源储 备 、 核 废 料储 存 和 压气 储 能 的首 选¨ ． 目前 ， 在 我 国逐 渐 开 展 的盐 岩 层 地 下 能 源储 气 库建设 及 盐穴 型压 气 蓄 能 电站 中 ， 涉及 的 主要 岩
ＤＯＩ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ２—５ ６ ３ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ４ ． ０ ０ ７
周 期 性荷 载 作 用 下盐 岩储 气 库 长 期 变 形特 性研 究
赵 阳 ，南冬 梅 ，王安 明 ，李 幻 ，于怀 昌 ，黄 志全
（ 华 北 水 利 水 电 大 学 资 源 与环 境 学 院 ， 河 南 郑州 ４ ５ ０ ０ ４ ５ ）
库 在不 同压强下 的注采 循 环 过 程 ， 并 分 析 其 长 期 变
形 特性 和时空演 化规 律 ， 为洞室储 气库 的安全 、 稳定 运行 方 案设计提 供依 据．
１ 盐 岩性
Ｙ ａ ｎ ｇ 等 通 过单轴 蠕 变试 验 评估 无 围压作 用
体， 其 宏观 力学 特性与夹 层 的相对含 量密 切相关 ， 夹 层势必 会影 响地 下储气 库 的合 理运 营．
我 国学 者 也 针 对 上 述 可 能 出 现 的 问 题 开 展 了 大
量 的研 究 ． 梁 卫 国等 、 赵 永 红 等 在 理论 分 析 的 基础 上 ， 建 立 了岩盐水溶 开采 的数学 模型 ， 并对溶 腔 的变形 进 行 了 相应 的 数 值 模 拟 分 析 ； 刘 新 荣 等 、 陈锋 用三 维有 限元法或 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ有 限差 分程 序对 盐 岩钻 井水 溶开采 溶 腔稳 定 性 问题 进 行 了研 究 ； 王 贵 君 、 李 银平 等 、 王安 明等 、 陈卫 忠 等 对盐 岩 中天 然气存 储洞 室 围岩 的长期 变形 以及天 然气 洞室
有 可 能 出现 接 触 面 滑 移 ． 结 果 可 为 该 盐 腔 的安 全 、 稳 定 运 行 提 供 依 据 并 可 为 同 类 型盐 腔 设 计 提 供 参 考 ．
关键词 ： 盐岩 ； 储气库 ； 周期性荷载 ； 非线性蠕变 ； 长 期 变 形
中圈 分 类 号 ： Ｔ Ｕ ４ １ ３ 文 献标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ： １ ０ ０ ２— ５ ６ ３ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４— ０ ０ ２ ６— ０ ５
摘
要： 为 了研 究 周 期 性 荷 载 作 用 下 盐 岩 储 气 库 的 长期 变 形 特 性 ， 采用 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ数值计算方法 ， 模拟 了５ ａ 后 湖 北 云应 地 区盐 矿 Ｚ Ｋ １ ０ ９ ９ 盐 腔在 周 期 性 注 采 压 力 （ 最大值 １ ３ ＭＰ ａ ， 最 小值 ７ ＭＰ ａ ） 下的运行情况 ． 模 拟 结 果 表 明， 储 气 库 利 用 率 不仅 降低 ， 而且 在周 期 性 荷 载 作 用 下 盐 岩 围 岩 不 断 劣 化 ， 主 要 表 现 在 塑 性 区 不 断 加 深 且
第 ３ ４卷第 ４期 ２ ０ １ ３年 ８月
华
北
水
利
水 电
学
院
学
报
Ｊ ｏ ｕｒ ｎａ ｌ ｏ ｆ Ｎｏ ａｈ Ｃｈｉ ｎ ａ Ｉ ｎｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｃｏ ｎｓ ｅ ｒ ｖ ａ ｎ ｃ ｙ ａ ｎ ｄ Ｈｙ ｄｒ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｐｏ ｗｅ ｒ
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３—０ ５—０ ８
群 的长期存 储能 力进 行 了数 值模 拟 ． 但 上 述研 究 针
对 注采 （ 低频） 周期 荷 载作 用下 ， 有 夹层 影 响 的盐 穴 型储 气库 长期变 形特 性 的研 究还 相对较 少． 鉴 于此 ， 笔 者采用 三维数 值方 法模 拟夹层 影响 的盐穴 型储气
石 力学 问题 皆与盐 岩 相 关． 盐岩 矿 床 天然 气 储 气 库 稳 定性 评价 中最 主要 的是对储 气库 的稳定 性和 可使 用 性进 行分 析 ， 并对 变形 做 出可靠 的估计 ． 根据地 下
盐 岩储 气库 的运行 规 律 ， 整 个运 行 过 程 可分 为 ４个 阶段 ： 恒定 高压 阶段 、 降压采气 阶段 、 恒定低 压 阶段 、 加 压 注气 阶段． 如盐 穴 型储气 库 运 营 （ 注采 气 ） 过 程 中 围岩 所受 内 压力 不 断 变 化 ， 在这个反 复加载、 卸载 的过程 中 ， 盐 岩 会 产 生 弹 性 变形 （ 由腔 内压 力 变化 的大小 和 弹性 模量 确定 ） 、 蠕 变变 形 （ 由地层 压 力 与腔 内压 力 的差 异 而产 生 的偏 应 力 确 定 ） 、 塑 性 变形 ． 盐腔 在运 营过 程 中压 力 的 循环 变 化将 使 周 围 岩石 失去原 有 的平衡 状 态 ， 其 内部原 有 应 力 场发 生 改变 ． 由于 上 述 变 形 ， 盐 岩 储 气 库 在 长 期 运 行 过 程 中， 必然 出现体 积减少 的情况 ， 从而 影 响到库容 和调 峰 能力． 其次 ， 根 据 我 国层 状 盐岩 的特 性 ， 盐 岩体 中 含夹 层众 多 ， 盐 腔 中包 含 了不 同厚 度 的夹 层 与盐 岩