互层状盐岩储气库地表沉降机理与数值模拟研究

摘要

能源地下存储因其经济安全的特点成为首选的储备方法，而盐岩又因其蠕变性好、低渗透性、损伤自愈、储量丰富等特点成为能源地下存储的优良介质。目前，我国能源的整体局势不容乐观，而能源战略储备十分有限，地下能源储备库建设刚刚起步，发展前景十分广阔。关于盐岩储气库的理论研究和实际应用仍有许多问题亟待解决，其中沉降是影响盐岩储气库稳定的主要问题。
　　针对河南省平顶山地区盐岩和泥岩互层，盐岩层厚度相对较小的特殊地质特点，首先在国内外研究成果基础进行了储气库沉降理论分析，提出了基于Schnute生长曲线的地表沉降计算函数模型，结合实测数据确定了模型参数，分析了沉降随时间的变化规律。然后采集纯盐岩、互层状盐岩、泥岩夹层进行蠕变试验和常规力学试验，确定了岩石的蠕变性能和物理力学参数。蠕变试验结果表明，受试加载条件和试验时间的限制，一定时间之内单轴和三轴状态下的蠕变均呈现初始和稳态蠕变两个阶段，泥岩的稳态蠕变率较小，盐岩的变形占互层状盐岩变形的主要部分。并通过串联开尔文元件和理想粘塑性元件建立了相应的蠕变模型，蠕变模型和试验数据吻合较好，能够说明模型的适用性。
　　另外，通过大地电场岩性探测技术得到盐岩地下溶腔的空间分布和几何形状，进行适当简化后分别建立了单腔、双腔和群腔数值计算模型。利用 Fortran语言将蠕变模型程序化，并通过子程序接口与有限元软件相结合进行不同工况下的沉降变形计算，分析了不同储气压力、不同体积、不同埋深储气库在不同蠕变年限下的蠕变发展影响范围、沉降量及影响半径，确定了合理的溶腔间距。并通过数值计算结果和理论模型计算结果的对比分析，验证了理论计算模型的适用性。最后基于沉降计算结果提出了地面沉降的控制措施，为盐岩储气库的建设提供一定的参考。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容和技术路线

2 储气库地表沉降理论分析

2.1 地表沉降研究方法

2.2 地表沉降影响因素

2.3 地表沉降计算理论

2.4 基于Schnute生长曲线的沉降模型

3 岩石力学试验及溶腔探测

3.1 研究区域地质概况

3.2 压缩试验

3.3 蠕变试验

3.4 蠕变模型

3.5 盐岩溶腔探测

4 沉降数值模拟计算

4.1 数值方法简介

4.2 单腔储气库沉降计算

4.3 双腔储气库沉降计算

4.4 群腔储气库沉降计算

4.5 单腔、双腔、群腔综合分析

4.6 数值结果与理论结果对比分析

5 地表沉降规律及控制措施

5.1 覆岩变形破坏规律

5.2 地表沉降模式

5.3 储气库稳定性控制措施

6 结论和展望

6.1 主要结论

6.2 展望

附录A

参考文献

个人简历、在校期间发表学术论文与研究成果

致谢