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。     

水泥环弹性模量和厚度对套管外挤载荷影响的理论研究

针对水泥环弹性模量变化对套管强度是否有帮助的讨论,采用弹性力学分析方法研究了水泥环弹性模量对不同性质地层内套管外挤荷载的影响规律。研究认为,在岩性较软的地层,应选用刚度较大的水泥环,可帮助套管抵卸一部分载荷;在地层岩性较硬时,选用刚度小的水泥环有助于提高套管抵抗外挤载荷能力。理想的水泥环特性应为高强度、低刚度。其机理是利用高强度抵御地层载荷、低刚度降低载荷传递系数,从而达到保护套管目的;单纯增加水泥环的厚度不一定能够改善套管的受力情况,只有当水泥环弹性模量大于一定值后,加大其厚度可改善套管的受力状况。因此,在实际现场中,应根据具体的地层情况,调整水泥浆特性,达到最好的固井效果。     

水泥环参数和套管形状参数对套管强度的影响

目前,国内外均面临着严重的套损问题,因此研究套管强度的影响因素是必要的。通过建立套管和水泥环的三维有限元模型,并利用Ansys有限元分析软件研究了水泥环参数、套管偏心率和椭圆度对套管强度的影响。模拟结果表明,只有水泥环的弹性模量超过一定值,增加水泥环的厚度、弹性模量才能提高套管的强度,否则还会增加套管内壁的等效应力,并且得出了水泥环对套管强度的增幅效果是套管径厚比的函数;此外套管的强度随着套管偏心率和椭圆度的增加而大幅度降低,容易引起套管屈服破坏。     

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     

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。     

盐岩储气库温度-渗流-应力-损伤耦合模型研究

推导了含夹层盐岩储气库在地应力、注-采气压力和温度联合作用下的温度-渗流-应力（THM）-损伤耦合数学模型,该模型不仅包含了盐岩的热损伤效应,还考虑了气体渗透的Klinkenberg效应以及气体沿夹层层面流动对渗透规律的影响。在此基础上,结合金坛储气库建设,采用数值仿真技术,对储气库在注-采气过程中考虑THM耦合与不耦合情况下的气体渗透、温度分布以及应力分布规律进行了详细的对比分析和探讨,研究结果表明：含夹层盐岩储气库应力-渗透-温度耦合效应十分明显。该问题的研究,为全面深入分析盐岩储气库的安全性和实用性提供了思路及前提,具有重要的理论及实践意义。     

煤炭地下气化高温喷淋井筒温度应力场研究

煤炭地下气化是对传统物理采煤技术补充的新一代化学采煤技术。气化过程中井筒受到高温和内压载荷的共同作用。针对煤炭地下气化生产井井身结构特点,基于传热理论建立了环空喷淋注水降温条件下的井筒瞬态温度计算模型,结合井筒压力模型基础上,根据弹性力学及壁圆筒理论建立了套管–水泥环–地层围岩组合体温度应力场计算模型。结果表明：高温时,井筒各部分因热膨胀或热收缩受限制而使井筒应力增加。在自然降温条件下套管、水泥环的理论计算最大应力分别为2 640.6、151.3 MPa,均超过本身材料许用压应力,在不考虑温度时,套管、水泥环轴向应力分别只有28.4、15.0 MPa,远小于考虑温度时的结果;在环空注水降温方式下,通过控制喷淋腔温度能够有效降低井筒应力;随着套管内压增大,井筒应力也随之增大,且套管内压变化会造成套管和水泥环应力方向发生改变,在对其进行强度校核时需要分情况讨论;在水泥环两侧交面处的应力落差一般较大,水泥环性能参数也与井筒应力密切相关,随着水泥环弹性模量降低或泊松比增加套管-水泥环的应力随之降低,即胶结性能好,高韧性、高泊松比性能的水泥环材料能够降低套管-水泥环应力。上述研究认识可以为煤炭地...     

基于光栅传感的模型测量系统应用研究

模型试验作为解决复杂工程问题的一种有效手段已越来越受到重视。然而,与目前发展较快的模型试验系统和较为成熟的相似理论相比,测试技术相对滞后的问题依然存在。测量的精度与稳定性不能满足模型试验的需求。基于光纤/光栅传感技术的高精密性、稳定性和机光电一体的特性,结合模型试验的特殊测量要求,通过改进数据接收算法,研制了基于光学传感技术的模型位移/应变测量系统,包括光栅传感模型位移和光纤传感模型应变测试系统。该系统稳定、精度高、抗干扰,并能监测不连续位移。将该系统应用于注采气压变化条件下盐岩地下储气库变形特征地质力学模型试验中,测得了气压变化条件下围岩位移收敛和径向应变蠕变规律,测得在不同稳压阶段和不同注采气速率条件下围岩变形的不同特征。试验数据为合理确定盐岩储气库运营气压和注采气速率提供帮助,对盐岩储气库的安全稳定运营有重要意义。     

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。     

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。     

交变应力对套管损伤机理的影响

水平井分段压裂技术已在低渗透油气藏及煤层气开发过程中得到了较为广泛的应用,并取得了良好的经济效果。但是,由于分段压裂会使直井段的套管承受交变应力作用,进而造成其在软硬交错地层处发生严重变形,从而影响压裂安全作业,甚至引发所有剩余压裂段报废。为探索其破坏机理,开发一个类似弹簧单元的用户子程序来模拟循环荷载作用下套管-水泥环界面的受力情况,并将该单元植入到套管-水泥环-岩层系统的ABAQUS轴对称有限元模型中,模拟水平井分段压裂过程中套管的力学行为。结果表明,在软硬交错地层中,采用水平井分段压裂时,注入压力与地应力之间的交变应力差会造成套管的大变形。此外,基于ABAQUS的数值模拟结果,采用FE-safe评估套管疲劳寿命,发现处于软硬交错地层处套管的疲劳寿命最短。基于上述研究,建议在具有软硬交错地层的低渗透油藏及煤层气储层中进行分段压裂时,应设法提高非压裂阶段压力,以减轻交变应力对软硬交错地层处的套管损伤。      

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。     

孔壁地层超静孔隙水（气）压力的形成及其对瓦斯抽排井套管稳定性影响

瓦斯抽排井套管失稳的事故时有发生。为了探索套管失稳机理,应用土力学原理分析了钻井和固管过程中孔壁地层超静孔隙水（气）压力的形成机制;建立了孔壁地层超静孔隙水（气）压力对套管作用的力学模型,该模型包含超静孔隙水（气）压力、地层孔隙率、井液液柱压力、套管抗外挤强度、固管水泥圈使套管抗外挤强度提高的效应系数和固管水泥圈与孔壁岩层界面处的抗张强度等参数;分别就新地层、基岩和煤层的超孔隙水（气）压力对套管稳定性影响的特点进行了分析。结合实例介绍了煤层超瓦斯压力引起套管失稳的分析方法。提出了局部提高套管抗外挤强度、提高固管水泥圈强度、延迟井液排空时间、增设套管扶正器等提高套管稳定性的具体措施。     

新建地下水封油库对附近运行油库水封可靠性影响研究

大型地下水封油库分期建设中,新建地下水封油库可能会对已投产的同类洞库水幕系统及渗流场产生一定影响,进而可能导致已建油库发生油气外泄等安全事故,但目前国内外对该问题的研究甚少。以在邻近某一已建大型地下水封油库附近扩建国家三期战略石油储库项目为背景,研究因扩建项目施工改变库区渗流场而导致的对已投产大型水封油库储油安全性的影响。通过洞库实际涌水量资料反演分析获取库区岩体的等效渗透张量,采用COMSOL Multiphysics软件模拟已建成的地下水封油库运营期的渗流场,并将其作为初始渗流场,进而模拟研究新建洞库开挖情况下渗流场的演化规律。以洞库区地下水位线、水封压力及围岩渗水量为评判指标,分析新建洞库对运行洞库水封可靠性的影响,研究表明:当两期洞库间距超过200m时,即使不设置中央垂直分离水幕系统,新建洞库施工也不会对已投产洞库的水封可靠性产生影响,即确保储油安全的最小洞库间距为200m。研究成果对评价在已投产地下水封油库附近修建同类油库的可行性及相互影响程度提供了理论依据。