A dynamic dissolution model of rock salt under gravity for different flow rates

The dissolution mechanism of rock salt under the effect of gravity was investigated in the laboratory using a dynamic dissolution test apparatus. Rock salt specimens were subjected to dissolution at different flow rates and the weight of the dissolved salt was measured over time and a comparison between the dissolution weight changes under the effect of gravity of this paper and those of dissolution without considering the gravitational effect was analyzed. After introducing the partial differential equations of a dynamic dissolution which conducted in a non-gravity condition, the influence of different parameters on the dissolution model was discussed to establish the dynamic dissolution model of rock salt under gravitational effect. Then, a numerical solution based on the finite-difference method and parameter inversion was conducted, whose numerical calculation results were in good agreement with the experimental results. The results of this paper can provide a basic theoretical foundation and analytical means that can serve a guide for studies on the dissolution mechanism of rock salt.     

应力作用下岩石的化学动力学溶解机制研究

通过结合化学热力学及动力学、过渡态理论和岩石力学等方面的知识,建立了应力作用下岩石的溶解动力学模型,分析了应力作用对岩石固相物质活度及矿物溶解动力学速率的影响,探讨了应力作用下水岩相互作用机制。研究结果表明：岩石所承受应力与周围流体压力之间存在的应力差所产生的化学势差是应力作用下溶解反应的驱动力;应力的施加显著提高了岩石中固相物质的活度,由此加快了矿物溶解反应的动力学速率;应力作用下的岩石细观溶解机制可根据固液界面应力分配及优先溶解部位上的差别分别用水膜扩散模型或岛渠模型进行描述;应力作用下水岩相互作用存在着应力、化学与渗流的3场耦合问题：应力推动化学反应的发生,化学作用使得岩石表面的细观形貌发生改变,局部的应力分布及大小也随着形貌的变化而改变,进而影响化学反应发生的位置及进程,同时也改变渗流通道的演化规律     

应力-溶解耦合作用下的盐腔水溶建腔机制研究

通过分析岩盐应力-溶解耦合效应对盐腔水溶建腔过程的影响,研究应力-溶解耦合作用下的盐腔水溶建腔机制。研究表明,在盐腔成腔过程中,应力-溶解耦合效应对盐腔形状的影响不可忽略;应力-溶解耦合作用下的盐腔水溶建腔机制在于溶蚀作用下在水的溶蚀影响范围内的腔壁围岩力学性质发生变化,同时,由于腔壁边界处围岩力学性质的改变,造成盐腔内部溶蚀过程发生变化,从而使盐腔形态发生改变;根据应力-溶解耦合作用下的盐腔水溶建腔机制,建立应力-溶解耦合作用下的盐腔水溶建腔计算方法;使用编制的应力-溶解耦合作用下的盐腔形态变化计算程序以及FLAC计算软件对水溶建腔过程进行计算。计算结果表明,相比于纯溶解作用,应力-溶解耦合作用下计算得到的盐腔形状与实际溶腔形状较为符合。该研究成果可为进一步研究储库盐腔水溶建腔机制提供理论依据和分析基础。     

卤水浸泡后盐岩声发射特征试验研究

为了研究盐穴能源地下储库建造过程中,腔体围岩处在地温、卤水和地应力地质环境中盐岩的损伤演化特点,利用声发射技术分析盐岩受不同温度的饱和卤水作用后的单轴压缩损伤破坏过程。试验发现：在一定温度的饱和卤水中浸泡30 d后盐岩的单轴抗压强度和弹性模量有所降低,但降低的平均幅度很小;卤水对盐岩主要表现为溶蚀作用,而浸泡弱化作用非常小;单轴压缩过程中盐岩的应力-应变曲线与声发射-应变曲线具有较好的一致性,卤水浸泡后盐岩的累计声发射数随卤水的温度升高略有增加;卤水作用后盐岩试件的声发射率和累计数要小于无卤水作用盐岩;盐穴建造期盐岩受一定温度的卤水作用后盐岩的强度将出现一定弱化,但卤水也会促进损伤盐岩体的重结晶恢复,盐岩的这种特性有利于盐穴建造期安全和稳定。     

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。     

盐岩CO2处置相关研究进展

现代工业生产排放了大量的CO2,为了缓解CO2造成的温室效应,对CO2进行捕获并进行地下处置是减少CO2排放量的一个有效可行的措施。在各种地下处置方法和介质中,利用盐岩溶腔进行CO2地下处置具有单个溶腔处置量大、注入速度快等优点。简要介绍了盐岩CO2地下处置存在的主要岩石力学问题,即溶腔内存在长期增压的过程。综述了影响溶腔内压的主要因素及其相互耦合作用的研究进展。这些因素包括：盐岩的蠕变性、CO2的高压缩性、盐岩在高应力下的渗透性、CO2沿管鞋的渗漏等。由于我国CO2排放的持续增加,结合我国层状盐岩的地质条件和力学特性,对各种因素的耦合作用的理论研究是今后的一个重要研究方向。     

A semi‐analytical approach for modelling heat transfer during salt‐cavern leaching process

The use of gas‐storage caverns in salt formations is a growing industry that continues to gain momentum because it allows gas to be injected and withdrawn at high rates compared with other underground gas‐storage systems such as porous rock systems. In order to predict cavern production performances, cavern thermodynamics behaviour must be studied by higher accuracy approaches. This behaviour is extremely related to the temperature distribution in the surrounding formations. During the leaching process, the thermal equilibrium of the rock salt surrounding the cavern is extensively disrupted. The purpose of this paper is to study the heat transfer problem during the leaching process and to develop a thermal model that can be easily used in field applications. The results of this work will be the input data for the prediction of the gas temperature and pressure during cavern gas‐storage operation phase. Moreover, the developed model can find its use in the design of salt caverns since it can be coupled with geometrical modelling of salt dissolution codes. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

渗流-化学溶解耦合作用下岩石单裂隙渗透特性研究

为揭示在渗流-化学溶解耦合作用下单裂隙渗透特性的变化规律,建立了描述二维渗流-化学溶解耦合作用的偏微分方程组,并利用COMSOL Multiphysics软件成功地求解该方程组。首先,模拟了文献[1]中的盐岩渗流-溶解耦合渗流试验结果,数值模拟结果与试验结果较为吻合,验证了数学模型的正确性和有效性。然后,利用分形理论生成了一个粗糙的裂隙面数字模型,着重分析了二维石灰岩粗糙裂隙面在水流、矿物溶解和输运过程中其渗透特性的变化规律。数值分析显示,（1）溶质浓度对裂隙面的溶解具有非常重要的作用,从而水流进口端的溶解厚度比出口端大得多。（2）裂隙的整体渗透性在初始时刻增加较慢,随着裂隙开度的增大和贯通,溶解速度会逐渐增大,是一个加速的过程。     

滨海岩溶地区海咸水入侵动力学系统研究

我国滨海岩溶地区岩溶系统的形成具有其独特的动力学过程。其中，既有自然环境条件下形成的岩溶特征，又有人类活动的地质效应——海咸水入侵的影响和改造。目前，海咸水入侵对滨海岩溶系统的影响和改造正在加剧，并将逐渐成为主导因素。防治滨海岩溶区海咸水入侵的根本，就是要查明咸-淡水过渡带中碳酸盐岩溶解、沉淀的动力机制。其中，混合溶蚀作用是关键。开展咸-淡水过渡带碳酸盐岩溶解、沉淀动力学的野外现场定位观测和室内动态模拟实验研究，并在查明咸-淡水过渡带碳酸盐岩溶解、沉淀动力机理的基础上，建立滨海岩溶地区碳酸盐岩溶解、沉淀系统动力学模型是十分必要和迫切的。研究各种因素综合影响下，滨海碳酸盐岩的混合溶蚀作用，将有利于查明滨海岩溶形成机理，进而为解决滨海岩溶地区海咸水入侵问题开辟一条新的途径。     

盐岩储气库注气排卤期剩余可排卤水分析

地下盐穴溶腔注气排卤过程中天然气和卤水共存,排卤管进入到卤水的深度及排卤速率决定了天然气是否会被卤水带出地表,如何调整后期排卤速率,降低排卤过程中带出天然气的风险,是注气排卤过程中的施工技术难题。针对该问题,采用流场分析理论对注气排卤后期盐岩储库腔底流场进行了模拟分析,得到排卤管外壁卤水向下流速;根据天然气气泡在卤水中的运移速率,分析确定了注气排卤后期不同剩余卤水深度下的安全排卤速率,为施工后期注气排卤速率调整提供了技术支撑。     

高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合机制与数值实现

采用渗流力学、断裂力学理论结合Monte Carlo方法描述岩体裂纹的随机分布,研究高水压作用下岩体原生裂纹的变形和翼形裂纹的萌生、扩展、贯通的渗流-断裂耦合作用机制,建立高水压作用下岩体裂纹的渗流-断裂耦合数学模型,给出该数学模型的求解策略与方法,在Fortran95平台下开发高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合分析程序HWFSC.for。高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合体现在岩体裂纹网络和渗流初始条件都随渗流时步变化。对高压注水岩体裂纹扩展过程进行渗流-断裂耦合分析。结果表明,高压注水条件下,岩体裂纹扩展存在起动水压力,当水压力大于起动水压力时,裂纹尖端开始萌生翼形裂纹,随着裂纹水压力的增加,翼形裂纹扩展,进而与其他裂纹搭接贯通,停止扩展。渗流-断裂耦合分析考虑了裂纹动、静水压力对裂纹产生的法向扩张效应及翼形裂纹的扩展而形成新的渗流通道两方面的影响,连通裂纹数随渗流的发展而增加。岩体裂纹的渗流-断裂耦合分析,能较真实地再现岩体裂纹的水力劈裂现象,描述岩体裂纹的扩展、贯通过程及与之相耦合的渗流响应。     

苏北盆地层状盐穴储气库CO2封存数值模拟研究

地下盐岩溶腔是CO₂封存的有效地质体,CO₂沿盐岩软弱夹层和盐层-夹层交界面泄漏是制约地下盐岩溶腔CO₂安全封存的关键。以苏北盆地金坛地区CO₂盐穴储气库为研究对象,建立了层状盐穴储气库CO₂封存的流-固耦合数学模型,分析了盐岩及泥岩夹层中CO₂运移泄漏规律及其对CO₂安全封存的影响,并探讨了盐岩及泥岩夹层渗透率的动态响应特征。结果表明：渗透率是决定盐岩层中CO₂运移速率和泄漏范围的关键,在其影响下,相同封存时间内泥岩夹层中CO₂运移速率和影响范围远大于盐岩,但随封存时间延长,盐岩和泥岩夹层中CO₂运移速率和压力增幅均呈降低趋势,并随着CO₂压力传播至模拟边界而趋于稳定。渗透率动态变化是上覆地层压力负效应与盐岩层中CO₂压力正效应共同作用的结果,并受盐岩和泥岩夹层力学性质的影响。CO₂封存时间<3 ...     

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。     

盐岩地下储备库引发地表沉陷事故的风险分析

在盐岩储备库的建设和运营过程中,由于腔体不断收缩而导致上覆岩层发生变形,从而引起储库上部地表发生碟状沉降变形,甚至造成地表塌陷事故是盐岩地下储备库的重要事故类型之一。针对盐岩地下储备库引发的地表沉陷事故进行分析,找出了该类事故的发生机制并建立相应的故障树模型,计算得到地表沉陷事故的14种发生模式和10个基本致因事件,并提出了相应的控制措施。并从风险分析的角度对盐岩储备库引发的地表沉降事故的后果严重性进行预测分析研究,并以湖北云应盐矿为例,假设该地区在储气库的建设或运营过程中发生地表沉降事故,采用模糊综合评价法对该类事故后果的严重性进行风险预测,得出后果为可忽略、需考虑、严重、非常严重、灾难性的概率分别为0.24、0.28、0.29、0.15、0.04。为有效预防盐岩储备库运营引发地表沉陷事故以及在事故发生前进行损失严重性预测提供了依据和方法     

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     

储层孔隙系统“水—岩”反应结晶动力学研究进展

“水—岩”反应作为储层成岩作用研究的重要组成部分,其研究结果对解释储层非均质性成因机制、综合评价储层品质等方面都具有重要意义。近年来随着基础理论、分析测试手段、物理实验方法和模拟技术的进步,该领域研究取得了诸多进展。成岩物理模拟实验的进步实现了对流体—围岩/矿物体系“水—岩”作用过程的宏观尺度观测和研究,也明确了各物理化学参数对体系内矿物溶解—结晶过程的影响,但分辨率限制了其在微观（纳米）尺度解释许多现象成因机制和约束条件方面的应用。晶体生长理论的建立和发展为解释储层孔隙系统中“水—岩”作用过程的结晶动力学原理奠定了基础,特别是近年来伴随纳米科技而发展起来的各种在线和非在线测量技术大大提高了储层孔隙系统结构和内部晶体生长情况的观测精度,将“水—岩”作用研究分辨率提升至纳米级,这为从微观尺度了解孔隙系统中流体—矿物体系的溶解—结晶（沉淀）相平衡过程及其控制因素提供了方案。储层孔隙系统中流体的结晶动力学行为与孔隙介质和流体性质密切相关,是成核自由能、矿物表面电化学特征、传质速率等多因素综合作用的结果。对不同成岩环境和孔隙系统中孔隙流体结晶动力学行为的系统研究,有助于了解孔隙系统空间结构、底衬表面化学特性、表面能效应等对矿物晶体成核生长与溶解过程的影响,为进一步深入解释储层非均质性的结晶动力学原理奠定了理论基础。     

应变非线性软化的圆形硐室围岩荷载-位移关系研究

基于峰值应力后具拐点的应变非线性软化本构模型,且同时考虑中间主应力 ,对岩体形变影响的条件下及等压荷载下圆形硐室围岩塑性区应力分布规律、围岩承载机制及围岩与支护之间作用关系进行研究,得到无支护硐室围岩自承地应力上确界 、围岩压力下确界 等反映实际硐室围岩工作状况的重要概念。给出了 、 的表达式以及它们与地应力 间的关系式。所得到的塑性区应力、塑性区半径、围岩压力和硐室周边位移等研究结果,与基于理想弹塑性体的Fenner解答相比,要更接近实际硐室围岩中的对应量值。     

层状盐岩造腔仿真软件开发及其实用性验证

国内层状盐岩具有夹层多、不溶物含量高等特点,现有造腔软件不能很好地模拟国内层状盐岩水溶造腔过程。基于流体力学和化学动力学等理论,建立能够描述盐岩造腔过程的数学模型,并提出了夹层垮塌判据。结合国内层状盐岩水溶造腔工艺特征,开发出能模拟含夹层盐岩水溶造腔的软件Salt Cavern Builder V1.0。该软件可模拟纯盐岩、多夹层盐岩的水溶造腔过程,能较好地反映出造腔方案在现场造腔过程中每个阶段的实施效果。通过大尺寸型盐造腔相似试验,模拟无夹层和含单一夹层的腔体形状扩展过程。基于相似理论基础,在现场造腔工艺条件下,造腔软件模拟出的结果与试验得到的结果接近,验证了该软件的实用性。     

华北煤田岩溶陷落柱及其突水研究综述及展望

华北煤田岩溶陷落柱（简称“陷落柱”）是地质历史演化过程中形成的产物。80多年来,在中国华北煤田39个矿区煤矿开采过程中共揭露10 000多个陷落柱,因其导致的重大突水淹井事故20余起,研究岩溶陷落柱对系统认识中国矿山岩溶水文地质条件以及防治岩溶水害具有十分重要的理论与现实意义。文章系统梳理、总结了华北煤田陷落柱的发育特征、成因机理、突水机理、探查与防治方法,归纳出近年来华北南缘陷落柱的研究成果,并结合目前华北煤田生产过程中陷落柱研究与水害防治中存在的问题,从陷落柱形成机理与演化过程、小型隐伏陷落柱精细化探查与解译、陷落柱“动态监测—预测模型—突水机理”模式以及陷落柱水害防治技术体系等方面展望了其今后研究趋势及水害防治的方向。      

盐穴储气库造腔工艺技术研究

盐穴储气库以其独特的优势在世界范围的石油工业领域中受到越来越多的重视。以一定的形状在盐层内建造一个地下储气溶腔,是一项复杂的系统工程。结合我国在盐层建设储气库的特点,围绕造腔设计的腔体目标和实施工艺,对盐穴储气库造腔工艺技术进行了全面的论述。通过对储气库腔体形成过程的分析,从造腔工艺、腔体控制与检测方法等方面,提出了造腔井型、水循环方式、溶腔步骤、两口距调节方式、形状控制方法、顶板保护工艺、密封检测、腔体稳定性等多项技术,同时推荐了造腔管柱组合方式、注水流量确定方法和保持腔体稳定的措施,对盐穴储气库造腔设计和施工有一定的指导意义。