盐岩储气库运营期时变可靠度计算及风险分析

盐岩是一种典型的流变性材料,其蠕变特性对建于其中的储库稳定性具有重要影响,储库可靠性具有明显时变特性。虽然在盐岩的蠕变力学特性及其变形特性方面,前人已做了大量的研究工作,但国内外在基于随机力学理论的盐岩储备库时变可靠度风险分析方面的研究尚不多见。以国内某盐岩地下储气库为例,建立了相应的可靠度计算功能函数,开展储气库运营期时变可靠度计算及储库风险分析研究。以储库的蠕变体积收缩率为风险控制指标,采用响应面法结合Monte-Carlo抽样,对储气库进行设计运营期内不同内压条件下蠕变随机力学计算,得出了储库可靠指标随时间的变化规律及风险发生水平,拟合出满足工程可靠度要求的体积收敛率限值与储气内压的关系式,并探讨了储气库可靠性对主要随机因素的敏感性,结论可为盐岩地下储气库的安全运行和后期维护提供理论依据     

盐岩地下储气库风险分级机制初探

能源储备是国家重大战略需求,目前国内已经开始大规模兴建盐岩能源地下储库群,由于国内的盐岩储库地层具有埋深浅、盐层薄、夹层多、品位低等特点,导致建库难度大、运行风险高,因此,开展盐岩地下油气储库风险分析研究具有重要的理论意义和工程应用价值。针对国内盐岩地下油气储库现状,在风险分析中引入功能设计理念,以体积收缩率作为储库运营期风险的单项分级指标,初步提出了地下油气储库运营风险分级机制的基本方法,以国内某盐岩地下储气库为例,通过流变计算获得不同储气内压变化条件下,储库风险随时间的变化规律,较好地验证了所提方法的合理性和有效性。     

盐岩地下油气储库运营期风险的故障树分析

盐岩以其良好的蠕变特性、低渗透性和损伤自我恢复性而被广泛用于地下油气能源储备,虽然目前国内外对盐岩力学特性的研究成果较多,但关于盐岩地下油气储库风险分析的研究报道却尚不多见。为了探讨盐岩地下油气储库运营期的风险机制,以江苏金坛盐岩地下油气储库为示范工程,对储库运营期的风险因子进行了辨识。应用故障树分析方法对储库运营期事故进行研究,建立了储库运营期腔体失效、地表沉陷、油气渗漏的故障树模型。通过对运营期故障树最小割集和结构重要度的分析,将储库运营期的风险因子按其影响程度进行了排序,并对故障树分析方法进行了评价,所得结论为进一步开展储库风险评估与控制提供了指导意见。     

盐岩地下储气库体积收敛失效概率分析与模型试验验证

盐岩地下储气库受盐岩蠕变特性影响会产生较大的体积收缩变形,影响储气库安全稳定运行。目前对地下储气库体积稳定性分析方法和评价准则各国没有统一标准,国内主要采用数值计算的方法来评价储气库体积稳定性。以江苏金坛盐矿地下储气库体积收敛数值分析为基础,借鉴国外盐岩地下储气库稳定性评价标准,建立盐岩地下储气库体积收敛失效风险评价矩阵,采用一次二阶矩法显示功能函数分析储气库体积收敛失效概率,分析得出：储气库在长期恒定内压工况下体积收敛失效概率随内压的增大而减小;在短期调峰低压工况下体积收敛失效概率随内压的减小而增大;最小内压应保持在4.2 MPa以上。通过交变气压条件下层状盐岩地下储气库大型三维地质力学模型试验得出:储气库体积收敛变形随内压的增大而减小;短期运行最小内压应大于4.0 MPa。模型试验结果与失效概率分析结论较为相似。因此,为避免盐岩地下储气库产生体积收敛破坏,应保证调峰短期最小内压在4.0 MPa以上。     

盐岩地下储气库套管运行安全的可靠性分析研究

盐岩因其具有良好的蠕变特性、低渗透性以及损伤自我恢复特性成为国际上公认的最理想能源地下存储介质。在盐岩地下储气库运营过程中储库套管受到储气内压、材料参数和几何尺寸等不确定性因素的影响,为了评价这些随机风险因素对储库套管结构运行安全的影响,建立了盐岩储气库的套管结构模型和基于Von Mises屈服准则的套管结构功能函数,根据建立的结构模型和结构功能函数,应用响应面法结合蒙特卡洛抽样计算获得储库在高压和低压运行条件下套管结构可靠度的变化规律。可靠性分析表明,为保证套管运行安全,储库最低运行内压应大于3 MPa,最高运行内压应小于22 MPa,套管靴距离储库腔顶的距离应大于10 m,并应适当加大套管的壁厚和减小套管的内径。     

盐岩储气库运营期稳定性评价研究

针对国内盐岩矿床的特点,建立了盐岩地下储气库运营期稳定性的多层次、多指标综合评价体系,并定义了盐岩地下储气库运营期稳定性等级标准。根据试验数据和数值模拟结果,构建了各评价指标的评分模型,得出了各评价等级相应评价指标的量值。采用AHP方法分析得到了描述层和指标层参数的权重。分别应用可拓法和模糊综合评价法对西气东输工程金坛储气库西1库进行运营期稳定性评价,两种方法评价结果一致,并与实际情况吻合,表明建立的盐岩地下储气库运营期稳定性的多层次、多指标综合评价体系能客观反应储库的实际稳定情况,具有较高的推广价值     

盐岩地下储气库注采气套管运行安全的物理模型试验研究

注采气套管结构是保证盐岩地下储气库注采气正常运行的重要枢纽,在盐岩地下储气库运行过程中,套管混凝土环极易因储库蠕变体积收缩而产生受拉破坏。因此,为了解套管混凝土环的受力和变形特性,采用三维地质力学模型试验技术,对江苏金坛盐岩地下储气库开展了不同采气速率、不同采气内压、储库失压等风险因素影响下的套管运行过程的物理模型试验,通过三维地质力学模型试验较好反映出储气库套管混凝土环的受力和变形特性。研究表明：（1）套管混凝土环的轴向拉应变随采气速率的增加而增大,为保证套管的运行安全,建议储气库的最大采气速率不超过0.65 MPa/d;（2）套管混凝土环的轴向拉应变和套管所受蠕变挤压应力随套管鞋离腔顶距离的减小而增大,为保证储气库运行安全,套管底部距离储库腔顶的距离应大于10 m：（3）套管所受蠕变挤压应力随采气内压的减小而显著增大,储气库的最低运行气压应大于3 MPa,并应最大限度地防止储气库出现失压事故。     

井喷失控条件下盐岩储库稳定性分析

井喷压力失控是盐岩储气库运营的极端情况。根据一维绝热管流理论解析得到井喷情形下储库卸压规律。在此基础上结合金坛盐矿工程地质条件,模拟对比分析了不同初始内压失控工况下盐岩储库应力状态、变形收敛特征和损伤破坏规律。结果表明,溶腔硬夹层总是先于盐岩体而屈服形成明显的屈服带,失控卸压阶段塑性区逐渐扩展布满整个腔体并向径向延伸6～8 m;运营压力范围内初始内压越低,储库卸压收敛越大,7 MPa下储库体积损失达5.02%;卸压阶段溶腔内壁围岩应变速率跃升至10-2 s-1数量级,属于准静态范畴。研究认为,井喷失控状态下失控初始内压是维持储库腔体稳定性的关键因素,在极端灾害环境中应确保盐岩储库处于较高的运营压力之下     

金坛盐岩储气库运营模型试验研究

针对盐岩重度低、低弹强比、高流变性等强度与变形特性,研制出与金坛盐矿盐岩的力学行为较为相似的材料配方;采用地质力学模型试验技术,开展金坛盐岩储气库运行稳定性的模拟试验,研究腔体在周期性注、采气作用下的变形特点与力学分布规律。根据模型试验结果,采用盐岩非线性蠕变损伤本构模型,结合金坛盐岩储气库长期运营进行数值模拟,并与物理模型试验结果进行对比,研究分析储气库围岩在循环加卸载下的力学响应特点与盐岩溶腔的长期运营稳定性,得到了在周期性加卸载作用下腔体围岩蠕变变形的特点与规律,研究表明相似模型试验技术可以有效地应用于盐岩储气库运营长期稳定性的研究,其结果对盐岩储气库的建造与运行具有一定的指导意义和工程应用价值。     

光纤位移传感器在盐岩地下储气库群模型试验中的应用

为了研究盐岩地下储气库群运行过程中注采气压变化对洞周围岩变形的影响,设计开发了一种基于光纤布拉格光栅技术的棒式光纤位移传感器,并将其成功应用在盐岩地下储气库群模型试验的位移监测中。试验结果表明,注采气压速率是影响盐岩储气库运营安全的重要因素。采气过程中洞周出现径向收敛位移,该位移随采气速率和时间的增加而增加;注气过程中洞周出现扩张位移,该位移随注气速率和时间的增加而增加。空间上,气压变化对洞腔腰部位移影响最大。为了保证储气库运行安全,应控制注采气速率。针对所研究工程原型,建议储气库的最大采气速率应小于0.65 MPa/d,最大注气速率应小于0.75 MPa/d。     

薄层状盐岩地下储气库工程地质条件及可行性分析

地下盐穴储气库安全性是蓄气运行的关键地质问题.针对平顶山盐田盐层薄、夹层多以及埋藏深等特征,从薄层状盐岩的渗透性、流变性以及稳定性3个方面,详细讨论了储气库的地质可储性及地面沉降问题.首先采集了纯盐岩、互层状盐岩、泥岩夹层3种岩石试样,分别进行了电镜扫描和不同应力水平下的三轴压缩蠕变试验,并应用CYT法对试验区进行了深部盐岩溶腔的探测.鉴于试验区多个采井影响区的重叠,地面沉降量实际监测结果比较复杂,绝对值偏小但具有波动性.综合上述地质特征,作出了平顶山地下盐穴储气库地质条件良好的结论,为我国同类工程提供一定的实际参考.     

盐岩地下储气库风险评价层次分析模型及应用

国内盐矿具有埋藏浅、盐层薄、夹层多、品位低等特点,导致盐岩地下储气库建设和运营面临诸多技术风险。在盐岩地下储气库风险因子模糊综合评价基础上,建立了层状盐岩储气库破坏、油气泄漏、地表沉降的3大事故风险层次分析模型,并构建了风险因子对3大事故影响程度判断矩阵;将建立的模型用于评价江苏金坛盐岩地下储库气的运营风险状况,确定出储气库3大事故风险因子影响权重分布和风险等级。研究结果表明：（1）储气库破坏应重点控制低压运行压力、运行时间和矿柱应力状态;（2）储气库泄漏应重点控制套管靴位置、夹层结合面滑动、高压运行压力和管道阀门受损;（3）储气库地表沉降应重点控制顶板厚度、低压运行压力和运行时间;（4）储气库破坏和泄漏属中等风险水平,储气库地表沉降属高风险水平。油气储库3大事故风险因子权重分布和风险等级的确定,为盐岩地下储气库风险调控提供了理论指导。     

盐岩储气库适用性评价标准的研究

目前国内还没有对盐岩储气库的适用性提出全面的评价标准。在研究地下储气库失事案例之后,提出了储气库适用性评价标准（ESAGSRS）。该标准分为稳定性和密闭性两方面。稳定性从储气库顶和底板的性质、盐岩层及夹层的性质、夹层与盐岩层交界面的性质、溶腔最大与最小运行压力及注采速率、溶腔形状及矿柱距离5方面进行评分;密闭性则从储气库的固井技术、套管的性能、套管阀门的性能、溶腔压力、顶板性质、夹层性质、盐岩的渗透条件、夹层与盐岩层交界面的刚度比,地质构造条件等方面进行评分。将稳定性与密闭性的得分按比例相加,用所得总分来评价储气库的适用性。该标准较为全面地考虑了各种因素,可为工程实践提供一定的参考价值和理论支持。     

盐岩储库区地面沉降预测与控制研究现状与展望

利用盐岩地层建设地下油气储库群已成为各国发展能源储备的重要方向,然而关于储库区地面沉降的研究至今仍处于探索阶段。由于地面沉降所造成的重大事故屡见不鲜,因此有必要集中力量研究盐岩库区地面沉降问题,为我国盐岩储库群的建设提供可靠的理论依据。本文主要从以下3个方面总结了近几十年来国内外学者在盐岩储库区地面沉降预测方面所做出的努力与成绩:(1)现场监测——法国、德国、美国先后建立了现场监测网络,获得了大量的长期监测数据;(2)理论计算——我国学者于20世纪90年代末将随机介质理论引入到盐矿水溶开采地面沉降预测中,从而为储库区地面沉降预测提供了新的理论基础;(3)数值模拟——欧洲学者利用FLAC2D程序对盐岩储库区的地面稳定性进行了数值模拟,而我国学者则利用在新概率积分法的基础上建立起的预测模型成功进行了沉降预测模拟。此外,为了有效地控制库区地面变形,预留矿柱式水溶开采法在国外众多盐岩地下储库群建设中得以广泛应用。本文最后提出在后续研究中将重点着眼于地表变形随时间的发展过程,并对现有理论模型进行适当的修正以及利用现场实测数据进一步完善预测所需参数的选取方法,从而使预测结果更为准确可靠。     

盐岩三轴卸荷力学特性试验研究

结合金坛地下盐穴储气库工程,以腔体围岩实际受力状态为研究依据,进行了盐岩卸围压力学特性试验,得到了盐岩卸围压过程的应力-应变关系、变形特征及其规律。试验结果表明,在卸围压初始阶段,试样的轴向和径向应变增加相对缓慢,且应变值和围压基本呈线性,随着围压继续降低,轴向与径向应变值急剧增加;卸载曲线与加载曲线相比,在最大主应力 相等的条件下,当卸载围压达到与常规三轴压缩围压相对应值时,对应的轴向和径向应变值较三轴压缩时应变值要大,表明卸荷试验能引起试样更大的变形,卸荷产生的扩容量比加载时扩容量更大,更容易导致试样变形破坏;盐岩卸围压表现为塑性变形特征,与其他硬岩卸围压属脆性破坏有较大区别。研究结果对盐穴储气库工程的稳定性评价和注采气过程具有一定的指导意义和参考价值。     

层状盐岩中储备库油气渗漏风险的故障树分析

油气渗漏是盐岩地下储备库事故的重要类型之一,具有突发性强、损失难以估计的特点。针对国内层状盐岩中储备库运营过程中的油气渗漏风险进行分析,揭示了油气渗漏事故的发生机制并建立了相应的故障树模型。通过对该模型的分析,找出了事故发生的各基本致因事件和故障模式,并得出适用于典型层状盐岩储备库油气渗漏事故的发生概率公式。分析结果表明,国内层状盐岩中储备库发生油气渗漏事故的可能故障模式有28种,且发生条件易于满足而难于防范,因此事故发生的可能性较大;按照各基本事件结构重要度的计算结果,盐岩强度低、盐岩蠕变过量、附近有断层、地震、造腔参数控制不当、非均匀地应力、人为操作失误等是层状盐岩中储备库油气渗漏事故的主要致因事件,并据此提出有效措施防止事故发生;通过专家调查法和故障树法的综合分析得出,金坛盐矿5口老腔储库在近10年的运营期内发生油气渗漏事故的概率为0.703%,属于偶发性事故。     

多随机因素作用下储气库套管运行期安全性分析

套管是地下储气库运行过程中的薄弱环节,各随机因素的变化会对套管系统安全性产生较大的影响。以三维套管-水泥环-围岩系统为研究对象,考虑几何尺寸、荷载、材料特性等多因素的随机特性,基于蒙特卡罗法对储气库运行期套管系统的失效概率及敏感性因素进行分析,通过与地质模型试验结果进行对比,验证了数值模拟结果的可靠性。结果表明,各随机因素对套管系统可靠性的影响程度不同,其中套管厚度、套管内径、工作内压、水泥环厚度为高敏感性因素,且各因素的影响效果不同,在工程中可采取不同措施提高系统可靠性;采气阶段,根据储气库腔体应力状态和体积变形规律确定的最大采气降压速率不会影响套管系统的安全性。