内衬式高压储气库群布局参数优化及稳定性分析

内衬式岩洞高压储气库兼具抽取率高、循环能力强,且能承受更高的内压力等优点,克服了传统压缩空气储能系统的诸多缺陷,是一种应用前景广阔的储能方式。论文以洞室埋深、内径和间距等3个最主要的储气库布局参数为影响因素,采用ABAQUS有限元软件基于正交试验设计模拟工况,以关键点的位移和塑性区面积作为评价指标,通过单因素试验研究了洞室间距、埋深及内径对围岩变形和稳定性的影响规律,提出了洞室群优化布局建议。研究表明:洞室埋深是影响储气库围岩变形和塑性区面积的最显著因素,其次为洞距和洞径;随着埋深的增大洞室围岩塑性区的发育区域得到有效的抑制,且塑性区主要分布于洞室顶部;增大洞距可有效削弱高内压对围岩的启裂效应;衬砌的最大拉应力主要分布在结构的顶部和底部,增大埋深或减小高径比都有助于提高衬砌的稳定性;综合分析表明储气库群的最优布局方案为埋深400 m、内径42 m、间距60 m。研究成果为内衬式高压储气库群的优化布局和稳定性评价提供了参考依据。     

大规模压气储能洞室稳定性和洞周应变分析

地下储气构造物是压气储能(CAES)电站选址的决定因素,其中人工开挖的硬岩洞室因其受地质构造限制小、适应范围广而备受关注。针对压气储能地下洞室方案选型和密闭性要求,选择了典型的洞室埋深(200、300、500 m),考虑不同的洞室形式(隧道式和大罐式)和洞室尺寸,采用Abaqus有限元软件计算出高内气压下压气储能洞室围岩的塑性区和洞周应变。通过分析开挖后和充气后两个工况下围岩的受力和变形特征,获得合适的洞室形式。当围岩级别为Ⅱ级、内压为10 MPa的情况下,埋深为300 m的圆形洞室和大罐式洞室稳定性较好,该埋深下6 m直径圆形洞室最大洞周应变为7.55410??,容积为5 310 m大罐式洞室最大洞周应变为5.54410??,以上值都在一般橡胶类高分子密封材料的正常工作范围内,这为密封材料在不同温度下的延伸率和耐久性研究提供了基础数据。     

盐岩储气库运营期失效概率分析研究

随着能源地下储备的日益迫切需求,越来越多的盐岩地下储库开始投入使用。盐岩地下储库因其良好的使用功能,愈发被世界各国所采用。因此,对盐岩储气库运营期的安全稳定性研究具有重要的理论意义和工程应用价值。运营期间,储库腔体将受到随时间变化的储气内压的作用,同时,客观存在的诸多不确定性因素不可避免地使盐岩地下储库具有一定的风险性,而由于这种不确定性很难采用确定性方法对其进行研究。以金坛盐岩地下储气库为例,基于有限元软件ANSYS,建立储气库运营期腔体内压-时间历程曲线,对储气库长期流变进行了瞬态力学分析,并基于随机力学分析方法,以体积收缩作为风险控制指标,利用ANSYS-PDS得出储气库在整个运营期失效概率的变化规律。计算表明,在周期性变化的储气内压作用下,腔体位移呈波浪线形不断增长,但增幅逐渐降低;同时,储气库失效概率呈现先慢速增长再快速增长最后逐渐趋于稳定的变化规律。探讨了注采气速率对储气库稳定性的影响,适当降低注采速率可抑制腔体收缩,有利于提高储气库的稳定性。对类似盐岩储库运营期风险分析与评估具有借鉴意义。     

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。     

调峰地下含水层储气库库址优选定量决策方法

含水层地下储气库和枯竭油气藏地下储气库是国外地下储气库的重要类型, 我国油气藏主要富集在陆相地层中, 油气藏的规模比较小, 利用枯竭油气藏建造地下储气库的潜力受到一定的限制, 而在古生界海相沉积地层中寻找含水层圈闭进行天然气储气库建设, 有望建立起规模巨大的含水层地下天然气储气库, 与国外经验不同的是, 在我国含水层中建设地下储气库与枯竭油气藏地下天然气储气库相比, 成为更为有利的选项.针对调峰地下含水层储气库库址优选问题, 引入气藏工程方法, 在考虑天然气消费调峰需求、含水地层渗透性、埋深、圈闭规模、钻井费用和压缩机费用等因素的基础上, 建立单井注/采气量、注/采气井数的压气机功率的联立方程, 求解单个含水层圈闭建库的最优投资额, 进而根据不同含水层圈闭建库的折算费用差额和投资回收期, 优选最有利的含水层圈闭作为进一步评价的对象, 使含水层储气库库址的优选建立在定量评价和决策的基础上, 为我国大规模开展含水层储气库建设提供技术支持.      

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。     

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。     

内出进洞方式对浅埋偏压隧道洞口段围岩稳定性影响研究

厦蓉线水都高速平寨隧道左洞洞口受施工条件、浅埋和偏压等因素的影响,采取了中横洞内出的进洞方法。现场监测成果表明施工取得了良好的效果。为研究该进洞方式对洞口浅埋偏压段围岩稳定性的影响,利用FLAC3D程序对平寨隧道施工过程进行三维仿真分析,比较中横洞内出和正面开挖两种进洞方式下左洞洞口围岩变形和应力变化情况,结果表明中横洞内出方案对近洞口约24m范围内围岩影响较小,为较优方案。     

An Analytical Solution for Mechanical Responses Induced by Temperature and Air Pressure in a Lined Rock Cavern for Underground Compressed Air Energy Storage

Mechanical responses induced by temperature and air pressure significantly affect the stability and durability of underground compressed air energy storage (CAES) in a lined rock cavern. An analytical solution for evaluating such responses is, thus, proposed in this paper. The lined cavern of interest consists of three layers, namely, a sealing layer, a concrete lining and the host rock. Governing equations for cavern temperature and air pressure, which involve heat transfer between the air and surrounding layers, are established first. Then, Laplace transform and superposition principle are applied to obtain the temperature around the lined cavern and the air pressure during the operational period. Afterwards, a thermo-elastic axisymmetrical model is used to analytically determine the stress and displacement variations induced by temperature and air pressure. The developments of temperature, displacement and stress during a typical operational cycle are discussed on the basis of the proposed approach. The approach is subsequently verified with a coupled compressed air and thermo-mechanical numerical simulation and by a previous study on temperature. Finally, the influence of temperature on total stress and displacement and the impact of the heat transfer coefficient are discussed. This paper shows that the temperature sharply fluctuates only on the sealing layer and the concrete lining. The resulting tensile hoop stresses on the sealing layer and concrete lining are considerably large in comparison with the initial air pressure. Moreover, temperature has a non-negligible effect on the lined cavern for underground compressed air storage. Meanwhile, temperature has a greater effect on hoop and longitudinal stress than on radial stress and displacement. In addition, the heat transfer coefficient affects the cavern stress to a higher degree than the displacement.     

Cyclic Thermo-Mechanical Analysis of Wellbore in Underground Compressed Air Energy Storage Cavern

The compressed air energy storage (CAES) method is a viable method of storing surplus energy underground when there is a mismatch between energy generation and demand. Wellbores embedded in rock are an integral part of energy storage structures, and are used for injecting and extracting the compressed air. During injection and production cycles, the storage reservoir and wellbore are subjected to cyclic change in external pressure and temperature, which may cause failure of the wellbore. In this paper, cyclic thermo-mechanical analysis of a horizontal wellbore in an underground CAES cavern is performed using finite element analysis. The rock behavior is simulated using the Mohr-Coulomb constitutive law. The reduction in the yield strength of rock with increase in the number of loading cycles is taken into account in the analysis. Parametric sensitivity studies are carried out to study the effects of dilation and friction angles of rock, the ratio of in situ horizontal and vertical stresses, loading frequency, and the magnitude of the temperature cycles in the cavern on the wellbore performance for different types of rock. The thermo-mechanical cyclic behavior leads to plastic strains that are greater than those obtained by performing mechanical analysis only. Significantly large deformation is generated in rock for large dilation angle and high loading frequencies.     

The hydrogeology of granitic rocks in deep boreholes used for compressed air storage

The compressed air energy storage(CAES) is a much-awaited new system for load leveling power supply. An economical system must be developed, preventing leakage of stored air (with pressures of more than 20 atm) using groundwater pressure surrounding an unlined cavern in hard rock. The air tightness of the rock around the cavern must be confirmed. In this study, the hydrogeology of the test site was examined prior to field air tightness tests in the borehole. The results indicate that, when evaluating the hydrogeology of the test site related to the air tightness of rocks, it is necessary to understand the geological structure and fracture characteristics of the site. This is done by means of a field survey, investigations and tests in and between the boreholes, and the examination of the distribution of permeability and pore water pressures.     

基于厚壁筒三维解析模型的深部洞室围岩分区破裂化机制研究

为研究深部洞室围岩的分区破裂化机制,建立了厚壁筒三维线弹性解析模型。逐步减小厚壁筒均布内压,模拟洞室静力开挖。逐步增加厚壁筒轴向均布压力,模拟洞室开挖导致洞室轴向应力集中。逐步增加厚壁筒外周非均布压力系数,模拟洞室开挖导致洞室水平应力的重分布和集中效应。根据弹性力学知识和边界条件,确定洞室开挖引起的弹性应力场、应变场及位移场。从拉压域、应变梯度及径向压拉蓄能等3个方面入手,分别研究了内压静力卸荷、水平应力重分布、围压均匀部分及轴压对深部洞室围岩分区破裂的作用机制。结果表明：径向弹性拉伸能和径向弹性压缩能的相对变化反映了围岩能量释放速率和释放量。水平应力重分布和轴压是围岩出现分区破裂现象的主要因素,但两者作用机制不同。该模型可为研究高地应力深部洞室围岩破坏提供一个较统一的理论工具,也为深部工程设计提供了理论依据。     

水平薄层岩体中大跨度地下洞室工程地质研究

山西西龙池抽水蓄能电站地下厂房围岩为水平薄层岩层,工程竣工发电已多年,施工及运行期安全,但工程开工前,还没有在水平薄层岩体中开挖大跨度高边墙地下洞室的成功范例,鉴于此,以山西西龙池抽水蓄能电站工程为依托,从工程地质角度,对水平薄层围岩岩性特征、岩体结构特征、岩体力学特性、大跨度高边墙地下洞室围岩分类、围岩变形特征等方面进行了研究,依据研究成果,对洞室开挖支护施工、围岩变形监测等进行了分析,依据围岩变形监测成果对围岩力学参数进行了反演,验证了前期勘察成果,取得了在水平薄层状地质环境中开挖大型地下洞室的宝贵经验,进而为在水平薄层状地质体中修建大跨度、高边墙地下洞室提供了更多的技术支持,对此类不良地质条件下大型地下洞室群建设具有重要的指导意义。     

盐岩在围压卸荷作用下的扩容特征研究

通过试验模拟盐岩储气库建腔期腔体围岩围压动态降低过程,开展单轴压缩和三轴卸荷扩容试验,并分析温度对盐岩试件卸荷扩容特征的影响。试验结果表明：由于都是应力增加的过程,卸荷试验的扩容特征与常规单轴试验相比,在扩容阶段划分上具有一些共同点,都存在体积压缩段、稳定扩容段和加速扩容段。卸荷试验和单轴试验的压缩极限基本相同。但由于加载方式不同,卸荷试验的稳定扩容段在整体扩容中所占比例更小,扩容速率和扩容幅度也较单轴试验小。在相同的偏应力作用下,卸荷试验产生更大的扩容。温度升高能够促进盐岩的扩容,表现为加速扩容点前移、初始稳定扩容段缩短、加速扩容段变长、扩容速度加快、扩容幅度增大等。     

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。