废弃盐穴地下储气库稳定性研究资料下载.pdf
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摘要:
国际上公认盐岩体是地下能源(石油、天然气)储存最理想的介质,作为储气库的盐岩溶腔,一般都是根据设计要求通过水溶开采形成。
目前,国内外鲜见利用地下废弃盐岩溶腔作为天然气储气库的先例。
通过对ABAQUS有限元的二次开发,对某废弃盐岩溶腔的储气库围岩和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,并对废弃溶腔作为储气库时的工作压力和储库套管鞋高度设计作了有益的探讨,这对指导工程实践具有一定的指导意义。
关键词:
岩石力学;
盐岩;
废弃盐穴;
储气库;
蠕变;
套管鞋中图分类号:
中图分类号:
TU452文献标识码:
文献标识码:
A文章编号:
文章编号:
10006915(2006)04084807STABILITYANALYSISOFABANDONEDSALTCAVERNSUSEDFORUNDERGROUNDGASSTORAGECHENWeizhong,WUGuojun,DAIYonghao,YANGChunhe(InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan,Hubei430071,China)Abstract:
Saltrockisconsideredasaperfectmediumforundergroundoilandgasstorage.Normally,undergroundsaltcavernsforgasstorageareformedbyaqueousfusionmethodaccordingtospecificdesign.Presently,thereisnoundergroundnaturalgasstoragesoperationinabandonedsaltcavernsintheworld.Basedonnumericalresultswithfiniteelementmethod(FEM)codeABAQUS,thecreepbehaviorsofcavernsandrockpillarsandtherangeofcreepdamageofthecavernroofareapproached.Furthermore,theworkingpressureforgasstorageinabandonedsaltcavernsandlocationofcasingshoesarediscussed.Theconclusionsdrawnfromthestudycanprovideusefulreferencetothepracticalengineering.Keywords:
rockmechanics;
saltrock;
abandonedsaltcavern;
gasstorage;
creep;
casingshoe1引引言言能源是一个国家的经济命脉,一旦能源发生危机,将引起社会动荡,破坏经济的发展。
在世界GDP前几位的国家中,中国目前是惟一没有建立国家战略储备和民间商业储备的国家。
地下能源储存一般放置在盐岩、非渗透性岩层及多孔隙岩层中。
目前世界上已有的地下储气库类型主要包括枯竭油气藏、含水构造地下储气库、盐岩地下储气库、废弃矿井和水密封岩石洞室,而盐岩具有非常低的渗透特性(渗透率1020m2)与良好的蠕变行为,能够适应储存压力的变化,且其力学性能较为稳定(损伤与损伤自我恢复)能够保证储存硐库的密闭性(J.E.Quintanilha)。
因此,国际上公认盐岩体是能源(石油、天然气)储存的最理想的介质。
目前全世界各地大约第25卷第4期陈卫忠等.废弃盐穴地下储气库稳定性研究849有五百多座地下储气库,其中有44座是利用含盐岩层15。
就盐岩地下储库而言,目前都是根据储量和服务年限的要求,通过水溶开采形成一定规模的溶腔群。
但在某一地区形成(4050)104m3规模的溶腔群一般需要510a的周期,而且还需要与之配套的卤水处理化工厂,否则生产的卤水将对环境产生很大的污染。
目前,国内外利用盐矿开采形成的废弃溶腔作为调峰储气库鲜见报导。
利用废弃盐岩溶腔作为储气库具有建库时间短、成本低等优点,但须对废弃盐穴的长期变形、储库封孔的套管鞋高度等关键技术参数进行评估6。
本文应用大型有限元软件ABAQUS卓越的非线性功能,通过对ABAQUS软件的二次开发,将实验室蠕变试验所得的盐岩本构模型和ABAQUS相接,对某废弃溶腔群储库的蠕变变形和工作性态开展数值仿真,本文的研究方法及成果对国内应用废弃溶腔作为储气库时的工作压力及储库压力设计可提供一定借鉴作用。
2盐岩和含盐泥岩蠕变本构模型盐岩和含盐泥岩蠕变本构模型国内外众多学者的实验室试验结果表明:
盐岩在偏应力作用下易产生蠕变,且与时间呈高度非线性关系。
盐岩的长期蠕变特性比较复杂,一般认为盐岩的蠕变速率与偏应力和温度呈现高阶非线性函数79。
因此,盐岩在三轴压力状态下,一般经历瞬态蠕变、稳定蠕变和加速蠕变3个阶段。
由于盐岩的瞬态蠕变时间很短,因此在储气库的稳定性和长期变形时,主要研究盐岩的稳态蠕变特性。
N.L.Carter(1993)10和K.S.Chan(1997)11提出稳态蠕变率的统一表达式,即)()()(313ccrTHDf=&
(1)式中:
)(3cf为围压影响函数,)(31D为偏差应力影响函数,)(TH为温度函数。
杨春和等12通过对某矿区盐岩及泥岩试样开展常温下的三轴蠕变试验研究,提出了盐岩和含盐泥岩的稳态蠕变率与偏应力和围压密切相关。
盐岩的典型蠕变曲线如图1所示,Norton指数函数形式的蠕变方程为nijA)(31cr=&
(2)图1盐岩的三轴蠕变试验曲线Fig.1Creepbehaviorofrocksaltundertriaxialtest式中:
crij&
为蠕变应变率;
A,n均为盐岩的材料特性参数。
3废弃盐穴作为储气库的长期稳定性评价废弃盐穴作为储气库的长期稳定性评价为科学合理地评价废弃溶腔作为储气库的可行性,必须对废弃溶腔已有的蠕变变形进行合理的预测,并对储库储气后的盐岩蠕变变形及废弃溶腔群矿柱的稳定性进行数值模拟。
储气库计算和一般洞室群的区别在于:
储库无论在溶腔或储气阶段都有内压作用,且在抽放和注气过程中其内压是变化的,而这一过程中的应变速率较大,最易引起破坏。
本文通过数值模拟重点研究储库在过去10a中所发生的蠕变变形及未来10a的储气服务期内因工作状态变化而产生的蠕变变形和破坏范围。
3.1工程概况工程概况我国某盐岩矿区的盐岩开采已具有2030a的时间,在当地已形成一定规模的地下溶腔群。
该矿区地层平缓,构造简单,盐层分布范围大,达60.5km2,且分布稳定,厚度大,一般为100m以上,盐层的含盐率高,夹层少且厚度较小,直接顶底板均为含钙芒硝含膏泥岩或致密泥岩,抗压强度大,封闭性好,但该矿区水洗形成的溶腔大多数体积太小而无大的利用价值。
根据现场的声纳探测结果,溶腔基本呈梨状分布,其中的废弃溶腔群依次按1#,2#,3#和4#溶腔命名,埋深在9001000m,腔体体积均为1.5105m3左右,符合天然气储存的基本要求,但储库的间距较小,一般在20m左右。
储库区域的溶腔形态及岩层分布如图2所示。
3.2数值计算模型数值计算模型根据储库的分布特征和埋深,数值分析模型取距离地表525m,深900m的岩体进行分析。
根据岩层分布特征和溶腔形态所建立的有限元计算模型的水平切面和垂直剖面如图3所示。
0.000.020.040.060.080.100102030405060时间/h蠕变/%850岩石力学与工程学报2006年1泥岩层;
2盐岩层;
3泥质夹层图2废弃溶腔岩层分布Fig.2Rockformationsdistributionofabandonedsaltcavern(a)1#,2#溶腔的垂直纵剖面(b)3#,4#溶腔的垂直纵剖面(c)4个溶腔的水平切面图3有限元分析网格Fig.3Meshesforfiniteelementanalysis3.3计算原理和方法计算原理和方法ABAQUS是大型通用有限元计算分析软件之一,具有较好的非线性分析能力和广泛的模拟性能,有大量不同种类的单元类型、材料本构模型和载荷形式。
在本文计算中,盐岩体和含盐泥岩均采用Drucker-Prager模型,盐岩的稳态蠕变应采用式
(2),并将式
(2)建立的盐岩和泥质盐岩的本构模型以FORTRAN语言编写出子程序并和ABAQUS软件连接。
3.4初始地应力、岩体基本力学参数和溶腔工作压力初始地应力、岩体基本力学参数和溶腔工作压力数值分析计算范围内的岩体以泥岩、泥质夹层及盐岩层为主,根据实验室试验结果,本次计算所采用的岩体材料基本力学特性如表1所示。
表1废弃盐矿岩体基本力学参数Table1Mechanicalpropertiesofabandonedrocksaltcavern岩层弹性模量E/GPa泊松比黏聚力c/MPa摩擦角/()抗拉强度/MPa泥岩100.271.0351.0盐岩180.301.0301.0泥质夹层40.300.5300.5废弃溶腔的埋深在1000m左右,计算中假定盐岩初始条件下处于静水压力状态。
数值模拟盐矿在初始水溶法开采时,溶腔内壁的工作压力为饱和盐水作用下的静水压力,取值12.0MPa。
在模拟储气阶段时,首先考虑内腔压力在3个月内由12.0MPa升至14.0MPa,然后在3个月内降至7.0MPa,并在这样的工作压力下工作9.5a,储库同采同注,储库的工作压力历时曲线如图4所示。
根据实验室岩盐的蠕变试验成果,式
(2)中的盐岩及含盐泥岩的蠕变参数如下:
(1)盐岩:
=310018.18nA(3)
(2)含盐泥岩:
=210018.18nA(4)4数值结果分析数值结果分析4.1腔体蠕变变形分析腔体蠕变变形分析112322221#溶腔2#溶腔4#溶腔3#溶腔1#溶腔2#溶腔3#溶腔4#溶腔第25卷第4期陈卫忠等.废弃盐穴地下储气库稳定性研究851图4盐岩溶腔运行压力示意图Fig.4Internalgaspressureofsaltcavernduringstorage数值计算结果表明在溶腔形成时,溶腔围岩均有较大的变形,各溶腔围岩最大位移均发生在腔顶周围和腔底处。
以1#溶腔为例,最大位移在腔顶侧边,为0.134m,腔顶处位移为0.095m。
在溶腔报废的10a间,由于内腔有恒定的12.0MPa内压作用,因此溶腔的蠕变变形不是太大,1#溶腔的最大合位移仍在腔顶侧边,为0.140m,腔顶处合位移为0.099m。
储气后,由于储库工作压力的波动,溶腔在经历10a储气后,储库盐岩的变形蠕变很大,其最大位移转变到溶腔之间的岩柱,这是因为在溶腔之间岩柱的偏应力较大,因此该部位的蠕变变形也较大,其中1#溶腔最大合位移为0.803m,腔顶处移为0.280m。
表2为4个溶腔在不同时期腔顶的位移值。
表24个溶腔腔顶位移变化表Table2Displacementvariationsoffourcavernroofsduringgasstorage不同时期溶腔顶位移/m溶腔编号溶腔期间10a废弃期10a储气期1#0.0950.0990.2802#0.1050.1110.3023#0.0900.0960.2814#0.0830.0880.272图57为4个溶腔在不同时期的位移矢量水平切面图。
研究结果表明:
储库盐岩在经历10a的储气周期后,洞壁发生偏向溶腔内部的变形很大,以1#,4#溶腔之间的围岩变形尤为明显。
4.2应力分析应力分析溶腔过程中围岩四周产生应力集中,在盐岩溶图5溶腔完时位移矢量图Fig.5Displacementvectordiagramsofsaltcavernsaftersolution图6废弃10a后位移矢量图Fig.6Displacementvectordiagramsofsaltcavernsaftersolutionfor10years图7溶腔储气10a时位移矢量图Fig.7Displacementvectordiagramsofsaltcavernsaftergasstoragefor10years腔储气过程中,由于溶腔内压力发生较大的变化,围岩的应力也相应产生变化。
从溶腔开始到废弃第10年,由于溶腔内有饱和盐水的静水压力作用,且压力保持在12.0MPa不变,溶腔围岩主应力变化不大,但在溶腔储气压力发生变化后,各溶腔围岩应力均发生了较大的变化。
以1#溶腔腔顶为例,溶腔024681012141605101520时间/a压力/MPa852岩石力学与工程学报2006年完成时最大主应力为17.43MPa,废弃第10年时为17.18MPa,储气10a后为11.91MPa,如表3所示。
表3溶腔腔顶应力变化表Table3VariationlawofprincipalstressaroundcavernroofduringgasstorageMPa1#溶腔顶应力2#溶腔顶应力3#溶腔顶应力4#溶腔顶应力时间最大主应力最小主应力最大主应力最小主应力最大主应力最小主应力最大主应力最小主应力溶腔期间17.4342.7316.2338.2817.9839.0017.1736.9410a废弃期17.1841.1516.0537.0617.8438.3717.0636.2410a储气期11.9135.0210.9531.0512.6534.6912.3132.69从整个流变的过程来看,由于溶腔的压力变化,溶腔围岩应力随着变化,且随着溶腔压力的减小,溶腔围岩的稳定性变差。
图813为1#,2#溶腔在3个不同时期的最大、最小主应力变化图。
图8溶腔结束时1#,2#溶腔的最大主应力图(单位:
MPa)Fig.8ContourmapofmaximumprincipalstressesforsaltcavernsNo.1andNo.2aftersolution(unit:
MPa)图9溶腔结束时1#,2#溶腔的最小主应力图(单位:
MPa)Fig.9ContourmapofminorprincipalstressforsaltcavernsNo.1andNo.2aftersolution(unit:
MPa)4.3溶腔蠕变损伤区演化特征溶腔蠕变损伤区演化特征数值模拟结果表明,在盐岩溶腔、溶腔报废及图10溶腔废弃10a时1#,2#溶腔的最大主应力图(单位:
MPa)Fig.10ContourmapofmaximumprincipalstressforsaltcavernsNo.1andNo.2afterbeingabandonedfor10years(unit:
MPa)图11溶腔废弃10a时1#,2#溶腔的最小主应力图(单位:
MPa)Fig.11ContourmapofminorprincipalstressforsaltcavernsNo.1andNo.2afterbeingabandonedfor10years(unit:
MPa)图12溶腔储气10a时1#,2#溶腔的最大主应力图(单位:
MPa)Fig.12ContourmapofmaximumprincipalstressforsaltcavernsNo.1andNo.2aftergasstoragefor10years(unit:
MPa)储气期内均发生了不同程度的蠕变现象。
蠕变主要产生在溶腔围岩,由于4个溶腔的间距较小且岩柱的偏应力水平相对其他位置都要大一些,因此随着时间的变化,溶腔之间岩柱的蠕变特征尤其明显且有互相贯通的趋势。
储气10a后,溶腔之间的岩柱部位都有蠕变变形现象,蠕变最大值由位置围岩转第25卷第4期陈卫忠等.废弃盐穴地下储气库稳定性研究853图13溶腔储气10a时1#,2#溶腔的最小主应力图(单位:
MPa)Fig.13ContourmapofminorprincipalstressforsaltcavernsNo.1andNo.2aftergasstoragefor10years(unit:
MPa)移到溶腔岩柱处,不同时间的蠕变区如图14,15所示。
由图14,15可知在1#,4#溶腔之间的岩柱产生的蠕变很大,这将影响到储气库长期稳定性。
因此在储库压力设计时因充分考虑这些因素的影响。
图1410a流变后溶腔围岩蠕变Fig.14Creepareaofsurroundingrocksaltcavernsduringthecavernsabandonedfor10years图15溶腔围岩储气10a流变后蠕变图Fig.15Creepareaofsurroundingrocksaltcavernsaftergasstoragefor10years另外,作为储气库封孔的重要技术参数的套管鞋的高度取决于腔顶蠕变损伤区的范围,因为盐岩的蠕变损伤区一旦发展到腔顶上方套管鞋的位置,将影响套管的正常工作,这是工程设计决不允许的。
从本次计算的结果来看,4个溶腔中,3#溶腔的蠕变范围最大,接近7.80m,但蠕变应变不大;
2#溶腔尽管影响范围不大,但蠕变应变最大,达到0.18%。
随着离腔顶距离的增加,蠕变有逐渐减小的趋势,如图16所示。
因此,在实际设计时,应充分考虑溶腔腔顶的蠕变范围和蠕变应变值,避免将套管鞋布置在蠕变影响的范围之内。
图164个溶腔蠕变距腔顶距离变化图Fig.16Creepstrainofrocksaltabovefourcavernroofs4.4塑性区分布塑性区分布塑性区的出现是在溶腔完成之后,在溶腔腔底特别是溶腔与溶腔之间(岩柱)的区域易出现塑性区。
如图17所示,塑性区范围一般为610m。
塑性区随盐岩的蠕变扩展范围变化不大,且溶腔之间塑性区也没有贯通。
图17储气10a后溶腔塑性区分布Fig.17Distributionofplasticzoneaftergasstoragefor10years0.000.050.100.150.2002468距腔顶距离/m黏性应变/%1#溶腔2#溶腔3#溶腔4#溶腔854岩石力学与工程学报2006年5初步结论与建议初步结论与建议通过对4个废弃溶腔的数值模拟,可得到以下基本结论:
(1)由于盐岩的蠕变性,较低的溶腔储气压力将产生较大的围岩变形;
同时,由于溶腔储气压力的变化使得溶腔围岩应力随着变化,且随着溶腔压力的减小,溶腔围岩的稳定性变差。
(2)对于废弃溶腔群盐穴地下储气库,盐岩最大蠕变应变发生在溶腔之间的岩柱区域,且随着时间的增长,溶腔的蠕变损失区有相互贯通的趋势。
因此,在储库压力设计时,应设计成同采同注的工作方式,确保储库的长期稳定性,以免带来不必要的后果。
(3)盐岩溶腔和岩柱在偏应力作用下产生蠕变,储库设计中可以根据腔顶周围产生蠕变变形的范围确定套管鞋的合理位置,由于盐岩蠕变损伤,应确保套管鞋埋设在蠕变损伤区之外。
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