周期性荷载作用下盐岩储气库长期变形特性研究

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
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
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
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
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
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 蠕变 力 学 特 性 与本 构 模 型
１ ． １ 力 学 特 性
Ｙ ａ ห้องสมุดไป่ตู้ ｇ 等 通 过单轴 蠕 变试 验 评估 无 围压作 用
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 ）
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
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
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