盐岩地下储气库泥岩夹层分布与组构特性研究

以江苏金坛地下盐岩储气库为例,在区域地质与场地工程地质条件分析的基础上,通过盐岩及夹层分布与岩性分析、泥岩夹层全岩X光衍射试验、黏土矿物X光衍射试验及定量分析、泥岩夹层的粒度试验、崩解试验及水理试验研究表明,金坛地下储气库岩盐层夹层主要为层间夹层与层内夹层,盐岩层间夹层分布稳定,厚度较大,不溶物含量高;盐岩层内夹层层数多,厚度薄,分布不均,不溶物含量低。盐岩层间泥岩夹层的主要矿物为黏土矿物,黏土矿物的主要存在形式为伊利石/蒙脱石混成矿物;泥岩夹层主要为细粒颗粒;泥岩夹层沿层理面崩解,层状开裂软化,具有微膨胀性。对于储库水溶建腔速度、成腔形状与运营期的腔体蠕变具有重要影响。     

一种盐岩相似材料的试验研究

目前国内外学者主要利用小尺寸盐岩试件进行盐岩造腔理论以及溶腔稳定性方面的研究,所以利用相似材料制备大尺寸型盐模拟盐岩造腔全过程,以及研究溶腔的稳定性是有必要的。利用盐屑在高压下制备成型盐,测试其溶解特性和力学特性。试验表明压制应力为40、60、80 MPa时制成的型盐,其溶解速率变化不大;在压制型盐与天然岩盐的倾角溶解试验中发现,倾角为0°、90°、180°时溶解速率分别是天然盐岩的2.15倍、1.84倍、1.77倍;型盐的单轴抗压强度同压制的应力成正比,压制应力为80 MPa时干燥型盐同天然盐岩强度相当;型盐吸水后强度有所降低,而天然盐岩吸水后强度没有明显变化。所以在适当压制力作用下,利用盐屑压制型盐代替盐岩用于造腔理论及造腔全过程试验和溶腔稳定性试验研究是可行的。     

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。     

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。     

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 ...     

变权和相对差异函数在盐穴储气库腔体稳定性评价中的应用

盐岩地下储气库腔体以钻井水溶方式开采,溶腔形态可见性差、形态发展可控性难度高,针对畸形溶腔进行科学的稳定性评价是保证其安全运营的重要手段。将变权和相对差异函数理论引入到盐岩溶腔的安全评价中,建立适用于盐穴储气库畸形单腔的稳定性评价模型,首次以溶腔声纳测腔数据为基础,建立三维真实仿真模型并进行数值模拟,将数值模拟结果作为评价指标的评分依据,最后应用该方法对金坛储气库某腔体进行稳定性评价,并针对评价结果提出安全改善措施。研究结果表明,用变权方法对评价指标权重进行处理后得到的结果更加合理,通过将该方法与其他安全评价方法计算结果进行对比,证明了该模型在盐岩储气库畸形溶腔的稳定性评价中具有较好的适用性。     

盐岩储气库最佳采气速率数值模拟研究

由于已采盐矿存在着大量的采卤溶腔群,对采卤溶腔群进行改造作为天然气储存库使用,能有效缩短储气库的建设周期,并消除采卤溶腔对环境带来的不利影响。基于盐矿地质资料、盐岩的力学试验及本构关系分析,对作为西气东输储气库使用4口采卤溶腔群进行了研究,通过三维数值模拟方法研究了该溶腔群在不同采气速率下盐腔周的应力状态和体积变形规律,并通过分析,对该溶腔群的最佳采气速率得出了有益的结论。     

CO2地质处置研究进展

减少CO2向大气排放的一个主要的方法是将其隔离在地下深部，即CO2地质处置。CO2地质处置的方法主要包括：含水层处置，海洋处置，利用CO2开采油气以及煤层甲烷气体等。含水层处置有三种机制：（1）水力学方法；（2）溶解的方法；（3）矿物处置。CO2地质处置是可行的技术方法，在实际中已有了应用。在难以获得复杂的深部含水层环境的情况下，地球化学数值模拟方法在评价地质处置CO2可行性上具有重要的作用。     

盐岩损伤自愈合特性研究综述

盐岩具有渗透率低、延展性高、蠕变特性好以及损伤自愈合等特性,已经成为国内外公认的地下石油天然气储库以及储存放射性废料最理想的储存介质之一。盐岩损伤自愈合作为盐岩损伤演化重要的一部分,对储库开采扰动区盐岩力学稳定性以及渗透性具有重要影响。从发生机理、影响因素、本构模型等方面综述了国内外盐岩损伤自愈合研究进展,总结了国内盐岩损伤自愈合研究成果。盐岩损伤自愈合主要机理包括压力闭合、表面能驱动下的扩散效应以及盐岩内部晶体再结晶作用。影响盐岩损伤自愈合特性的主要因素有压力、温度、初始损伤、湿度、化学环境等。对考虑盐岩损伤自愈合特性的MDCF模型以及Lux/Hou模型作了简要介绍。最后指出了我国含杂质层状盐岩损伤自愈合特性值得关注的几个重点研究方向。     

盐穴储气库水溶造腔夹层垮塌力学机制研究

盐岩矿床中难溶泥质夹层的存在给地下储库水溶造腔带来了诸多不利影响,如何有效地预测与控制水溶造腔过程中泥质夹层的垮塌成为亟待解决的技术难题。夹层垮塌力学机制研究以该问题为背景,建立了水溶造腔过程中夹层垮塌分析的力学模型,并应用弹性板壳理论进行了求解,根据求解结果对夹层因局部破损及整体失稳引起垮塌的力学机制分别进行了论述,对夹层垮塌的力学机理进行了总结,给出了一种计算夹层极限跨度的方法。研究成果对水溶造腔过程中夹层垮塌的预测与控制有重要指导意义。     

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。     

盐穴储气库破坏后地表沉陷规律数值模拟研究

地下盐穴储气库在天然气调峰和保障供气安全上具有不可替代的作用。地下盐穴储气库达到设计年限后,将报废而逐步垮塌,必然引起严重的地表沉陷。因此,对盐穴储气库破坏后地表沉陷规律进行研究具有十分重要的意义。考虑到目前的数值分析软件进行地表沉陷分析的不足,开发了用于盐穴储气库破坏后地表沉陷数值模拟的有限元专用软件-2D-Sink,该软件具有处理破碎岩块的能力。应用2D-Sink对盐穴储气库破坏后引起的地表沉陷规律进行了系统的研究,共建立了6种模型进行数值模拟,分别研究了地表沉陷层理效应、地表沉陷的岩层倾斜效应、地表沉陷的断层效应和多盐穴地表沉陷规律。对多溶腔地表变形曲线与单溶腔叠加的地表变形曲线进行比较,验证了地表沉陷叠加原理的正确性。研究成果为盐穴储气库报废后地表沉陷灾害控制提供了理论基础。     

Analysis of the behavior of large underground oil storage caverns in salt rock

The storage of petroleum products above ground surface has many constraints and limitations. A viable alternative is to excavate large underground spaces in rock to provide a safer way for oil storage. Soft rock formations such as salt domes provide suitable conditions from environmental and operational aspects. The potential for high volume storage and low permeability are among advantages of oil storage in caverns excavated in salt rocks. The complicated shape of oil storage caverns, complex behavior of salt rock, and boundary conditions associated with large underground openings are major challenges in the design of salt caverns excavated for oil storage purposes. In this study, the deformation mechanism and stability of salt caverns were investigated. A comprehensive 3D numerical study was carried out to investigate the effects of cavern size and depth, salt rock deformation modulus, and ground in‐situ stress regime on the behavior of large salt caverns. The stress field and deformation mechanisms were studied numerically aiming at shedding lights into the design aspects of salt caverns for oil storage. The analysis results show that the cavern safety factor is reduced as a function of cavern depth and storage volume. Also, with decrease in k (ratio of horizontal to vertical in‐situ stress), the stability of salt caverns will increase; however, with increase in salt rock young modulus, the sensitivity of cavern stability to k ratio is reduced. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

金坛盐矿老腔储气库长期稳定性分析数值模拟

盐穴储气库作为油气储气库的主要类型之一,已经在发达国家普遍采用。随着“西气东输”工程的进行以及天然气工业的不断发展,我国将会有更多的盐穴地下储气库建成并投入运行,因此怎样科学合理地分析盐穴储气库的稳定性已显得越来越重要。利用国际上著名的有限差分软件FLAC3D,对金坛盐矿某区老腔1号井、2号井建库完成后的腔体稳定性以及腔体蠕变规律进行了数值模拟,模拟结果表明,储气库在运行期间,流变会引起溶腔体积的减少,溶腔内压对储库的体积减少有直接的作用。并且利用该软件确定了储气库的运行压力在6 MPa～14.5 MPa之间,溶腔的体积缩小率在22 %以内,为储气库的修建及管理提供了指导依据。     

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.     

Analyses of gas storage capacity in unlined rock caverns

Summary Groundwater control is a means of ensuring that no gas leakage occurs from unlined rock storage caverns. To achieve a better understanding of the principles of gas containment under groundwater and how to obtain maximum gas storage capacity, analyses of groundwater conditions surrounding storage caverns and the effects of different factors on gas storage capacity have been performed and are reported in this paper. The analysis results indicate that the critical gas pressure of a storage facility is considerably less than the natural hydrostatic pressure around the caverns and somewhat less than the water curtain pressure. High gas storage capacity can be obtained by optimizing the design of cavern configuration, water curtain layout, cavern depth, etc. The principles of such optimization are outlined in this paper.     

地下盐穴储气库泄漏原因及防治措施研究

良好的密闭性能是盐穴储气库安全运营的基本前提,但地质赋存条件复杂、建库实践不足、理论体系不完备等均会导致盐腔遭遇各类泄漏风险。根据国内外的工程实践及事故统计,再结合盐穴储库特有的工程地质条件和运行工况,总结出三大泄漏因素（地质因素、工程因素、人为失误）和4种泄漏类型。地下盐穴储气库潜在的泄漏类型有夹层密闭性不足引起的气体近水平漏失、盖层被突破失效致使气体上窜、井筒完整性不足致使气体逃逸、夹层与断层连通致使气体流向断层。最终,依据各自的泄漏特征提出了相应的预防处置措施,以防止气体泄漏事故的发生和大范围的蔓延。由于我国盐穴储库的发展暂时处于上升期,研究结果对深部盐穴储气库的安全建设具有一定的借鉴和指导意义。     

Effects on ground water caused by excavation of rock store caverns

Unlined rock caverns for oil storage are very common in Sweden. Most of them are excavated in hard rocks (compact, non-carbonate, non-volcanic rocks). The fundamental idea of underground oil storage is that the rock caverns are located below the natural ground water level. Hereby the ground water keeps the oil inside the caverns and prevents products migration.

During the excavating period the water seeping through the fractures of a cavern is pumped up to avoid flooding. This discharge causes a local drop in the ground-water level around the cavern and a cone of depression develops.

A local study of the development of such a cone of depression has been made by means of a network of observation holes around the cavern. On enlargement of an oil storage (by constructing new caverns close to the old ones), the cone of depression moves according to the progress of the new excavations. This process has been studied and described in two cases.

Underground storages in Sweden are very often closely spaced in order to use common facilities such as entrance tunnel, pumping station, housing etc. Therefore an artificial ground-water divide sometimes must be arranged between different caverns in order to prevent products migration. This paper describes how such an artificial recharge of water between some caverns is made. The control of its effectiveness is shown as well as the method for sealing off undesirable leakage.     

CO2地质埋存渗漏风险及补救对策

目前,将CO2埋存于地下深部地质构造（如油气藏、煤层、地下含水层及岩溶盐腔）的减排方案能有效地减缓温室效应而备受关注。无论什么储集体,我们都希望CO2在地下埋存的时间越长越好。然而,对于一项具体工程的实施,必然存在一些客观和主观因素造成CO2渗漏,比如废弃井的不完善或不合理处理、地层断裂系统和水动力系统以及地震所造成的渗漏等等。存在渗漏就可能会对周围人和生态环境造成危害。因此,进行CO2地质埋存的风险评估是相当有必要的,是我们能长期有效安全地进行该项减排方案必不可少的基础和保证。本文即想从建立一套完整的风险评估、管理和监测体系的角度并以加拿大Weyburn油田为例,深入分析CO2地质埋存中可能存在的渗漏风险和途径,建立CO2渗漏风险评估机制,并针对具体的渗漏可能性提出相应的补救对策,为全球范围内,尤其对我国刚刚开展CO2地质埋存研究工作提供一些有益的思路。