极端风险因素影响的层状盐岩地下储气库群运营稳定的三维地质力学模型试验研究与分析

摘要

利用深部盐岩洞穴进行能源地下存储是国际上广泛认可的能源储备方式。由于国家能源储备的巨大需求,我国已开始大规模兴建盐岩能源地下储备库。目前,国内外关于盐岩力学特性的研究成果较多,但关于盐岩地下储气库群受极端风险因素影响的研究尚不多见。尤其是不同于国外巨厚盐丘的优良地质条件,我国盐岩层具有厚度小、夹层多、埋深浅等特点,这些缺陷都给我国盐岩地下能源存储的安全带来了隐患。单靠小尺度盐岩力学试验、理论分析和数值分析尚难以全面反映一些极端风险因素对盐岩地下储气库群运营安全稳定的影响。因此,有必要开展深部盐岩地下储气库群运营稳定的三维地质力学模型试验研究。
　　本文以江苏金坛盐岩储气库为工程背景开展了深部层状盐岩地下储气库群运营稳定性的大型三维流变地质力学模型试验研究,有效获得不同采气降压速率、注气升压速率、采气降压、注气升压、储库失压、储气压差以及储库间距等极端风险因素对盐岩储气库群和注采气套管运营安全稳定的影响。本文的主要研究成果如下:
　　第一,对原有的地质力学模型试验系统进行了升级改造,研制出多路气压加载及稳压控制系统和模型试验内部位移数据自动采集系统。实现了模型洞腔内部气压加载和模型试验位移数据采集的自动化、智能化、数字化。
　　第二,对所研制的盐岩相似材料、泥岩相似材料和夹层相似材料开展了单轴压缩蠕变试验研究。研究结果表明,所研制的相似材料具有显著流变特性。
　　第三,对江苏金坛地下盐岩储气库群进行了极端风险因素影响且考虑流变效应的三维地质力学模型试验。通过模型试验揭示出不同注采气速率、储库失压、储库运行低压、运行高压、不同洞腔间距和压差等极端风险因素对储库群运行安全稳定的影响。
　　第四,对盐岩地下储气库注采气套管运行安全进行了物理模型试验研究,得到了不同风险因素影响下套管的受力和变形规律。
　　第五,通过有限元方法对部分试验工况进行了数值模拟,数值分析结果与试验结果规律基本一致。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状与分析

1.2.1 盐岩力学特性研究现状

1.2.2 理论研究与数值分析

1.2.3 地质力学模型试验研究现状

1.3 研究内容和技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

1.4 创新点

第二章 地质力学模型试验基本理论

2.1 概述

2.2 模型试验相似理论

2.3 模型试验相似条件

2.4 地质力学模型试验相似关系

第三章 盐岩地下储气库高地应力真三维地质力学模型试验系统研制.

3.1 概述

3.2 三维梯度非均匀加载结构模型试验装置

3.3 数控液压加载与稳压控制系统

3.4 数控气压加载与稳压控制系统

3.5 模型位移数据自动采集系统

3.6 本章小结

第四章 盐岩地下储气库试验模型的制作

4.1 试验方案设计

4.1.1 工程背景及概况

4.1.2 模型试验方案设计

4.2 储库介质流变相似材料研制

4.3 模型制作工艺与过程

4.3.1 模型实体制作

4.3.2 储气库洞腔制作

4.3.3 测量仪器埋设

4.3.4 储气库套管模型设计与埋设

4.4 模型试验测试

4.4.1 不同采气降压试验方案

4.4.2 不同注气升压试验方案

4.4.3 采气低压运行试验方案

4.4.4 注气高压运行试验方案

4.4.5 洞腔失压试验方案

4.4.6 不同压差及洞腔间距试验方案

第五章 盐岩储气库群模型试验结果及分析

5.1 不同采气降压速率结果分析

5.2 不同注气升压速率结果分析

5.3 不同注采气压状态下试验结果分析

5.4 储库失压试验结果分析

5.5 不同压差与洞腔间距影响试验结果分析

5.6 模型试验结果小结

5.7 数值模拟

5.7.1 计算模型

5.7.2 计算参数选取

5.7.3 计算结果分析

5.7.4 小结

5.8 本章小结

第六章 结论和展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

硕士期间参加的科研项目

研究生期间主要科研成果

学位论文评阅及答辩情况表