层状岩盐储库气体渗漏固气耦合模型及储库稳定性研究

摘要

岩盐矿床是一类地质条件和物理力学均特殊的矿床，其力学性能良好，极低的渗透率及损伤自我恢复的性能，使岩盐矿床油气储库已成为“高度战略安全的储备库”。 我国的岩盐矿床的多属于含有夹层和杂质的盐层，这些夹层和杂质主要有石膏、泥页泥等。在非均质的层状岩盐矿床内建造油气储库比在厚盐丘内建造油气储库涉及的力学和技术问题更复杂。不仅要考虑岩盐矿体的渗透性、溶腔的蠕变收敛性、矿柱的稳定性外，还要充分考虑夹层的不均质性，如夹层及层理的渗透性，夹层和盐层蠕变的差异性。层状岩盐矿床中建造油气储库是一个相当复杂而且涉及很多学科的深部岩土工程。进行层状岩盐储库气体渗漏及储库的长期稳定性的研究，可为我国在类似盐层中建立油气储库提供有益的参考，具有十分重要的意义和价值。 本文以层状岩盐储库气体渗漏固气耦合模型及储库稳定性研究作为研究课题，通过实验研究，理论分析、数值模拟的方法，对岩盐的力学特性、层状岩盐渗透性和固气耦合理论、深部层状岩盐矿床地下油气储库的稳定性进行了系统的研究。主要研究内容及结果如下： (1).岩盐基本力学特性的实验研究。对岩盐试件进行了单轴压缩实验、抗拉壁裂实验及楔形剪切试验，研究得出：岩盐是特殊性的软岩，单轴岩盐显现出极强的横向变形能力，横向应变与轴向应变之比高达0.6比1。将导致其横向张拉破坏，由此可建立单轴压缩下的岩盐的最大拉应变强度理论。 (2).层状岩盐蠕变损伤后渗透性的试验研究。通过对钙芒硝试件的蠕变—渗透试验研究，得出损伤后的岩盐渗透率数量级为：10-16～10-14m2，其渗透率是有效体积应力的负指数函数：k=15.93×10-16exp(-0.03853(H)e) (3).层状岩盐储库气体渗漏固气耦合理论的研究。把层状岩盐矿体划分成拟连续介质(基质岩块)和裂隙介质(层间节理)，根据两类介质接触处气压相等及节点流量相等建立三维混合介质气体渗流模型，给出了有限元解法。编制研究层状岩盐储库气体渗漏的三维固气耦合的源程序。模拟得出：在两年内，在距储库内壁120m范围内的层间裂隙和泥岩夹层内只出现0.2MPa的气压值，这说明了从研究气体渗漏角度出发，在层状岩盐矿床内建造地下储库具有一定的可行性。 (4).深部层状岩盐矿床地下油气储库的稳定性的数值模拟。本文采用拉格朗日法(FLAC3D)对深部岩盐地下油气储库进行了非线性大变形静力计算和蠕变分析，结果显示：硐室高径比、矿柱大小、内压的大小均影响着储库硐室的稳定性。高径比越大，应力集中现象愈明显；矿柱越小，岩盐矿柱内应力及应力集中区域越大，洞周弹塑性位移、塑性区半径也愈大，硐室不稳定。内压越小硐室收敛量愈大，收敛率是非线性，在初期体积减少比较明显，以后逐渐趋于平稳。同时也显示了：岩性互层处出现了塑性破坏及两种岩性蠕变变形的不协调，这将导致层理面的剪切错动，为天然气的渗漏提供了通道。因此，岩盐储库的危险位置应集中在腔底、腔顶、腔周夹层及互层界面处。 (5).储库的大小尺寸、矿柱大小、最低运行气压的研究。其于油气储库单一硐室、硐室群静力计算和蠕变分析，本文认为：几何高度为150m，平均直径为60m的近圆柱体储库是合理的；对于储库硐室群，硐室间矿柱为2～2.5倍硐室直径，运行最低气压为6MPa应是比较安全的。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

第二章岩盐力学特征及蠕变损伤后的渗透实验研究

第三章层状岩盐储库气体渗漏固气耦合模型及数值模拟

第四章层状岩盐矿床地下油气储库稳定性研究

第五章层状岩盐矿床油气储库的非线性大变形分析

第六章结论与展望

参考文献

致谢

读研期间参与的项目和发表的论文