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盐岩储气库最佳采气速率数值模拟研究

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盐岩储气库 最佳 速率 数值 模拟 研究
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第28卷第007年1月 岩 土 力 学 ,01.28 007 文章一号l 1000007)岩储气库最佳采气速率数值模拟研究 陈锋,杨春和,白世伟 (中国科学院武汉岩土力学研究所,武汉430071) 攮要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。 关键词卤溶腔;储气库;蠕变;采气速率 中圈分类号t 5 文献标识码t A on of in by be as in t of e~of to on of he of ns 1概述 由于盐岩具有良好的密封性、低渗透性和损伤 自愈合性,使得深部地下盐矿成为世界各国能源储 存(石油、天然气)的一种主要介质。法国的国的国 100多个的储存库,及美国的个储油库都选择在密封性很好的地下深部盐丘或 盐层中我国,能源储存已越来越受到国家 和政府的重视。在天然气工程中,由于城市使用天 然气具有小时、日、月及冬夏季不均衡性,而气源 的产气却不能随用气的不均衡同步供给,为调节这 种不均衡性,则需要在大城市附近建立储气库,保 证天然气的稳定供应。 西气东输工程中,为调节对上海天然气的不均 衡性,提高供气的可靠性,拟在江苏金坛盐矿建立 地下洞穴型储气库由于在盐矿新建一个储气库 的时间周期为3年,考虑到西气东输工程对上海 供气的时间紧迫性,拟采用盐矿的已有溶腔进行改 造,完成储气库的建设。通过对盐矿现有溶腔容积 大小、盐层顶底板厚度、溶腔距离的测试与筛选, 初步选定了对4口溶腔进行改造,以达到储气要求, 完成储气库的建设。本文主要对盐矿盐岩的力学特 性及其本构关系进行研究,采用三维数值模拟方法 研究了盐岩溶腔群在不同采气速率下溶腔的应力状 态和体积变形规律,针对实际储气库的运行工况, 得出了有益的结论。 2盐岩蠕变特性及其本构关系 作者对盐岩蠕变规律进行了大量的研究【6叫川, 收稿日期:2005.10金项目:国家自然科学基金(0374064,0434050);国家重点基础研究发展规划(973)项目(002 作者简介:陈锋,男,1974年生,博士,主要从事盐岩力学特性、岩土工程数值模拟、岩土体稳定性分析等研究工作。l:a 58 岩 土 力 学 2007笠 分析盐岩蠕变的特性。盐岩的蠕变过程一般包括3 个阶段:即瞬态蠕变、稳态蠕变和可能出现的加速 蠕变,如图1所示。相比较于稳态蠕变和加速蠕变, 盐岩的瞬态蠕变很小,一般只有较短时间的瞬态蠕 变,很快过渡到稳态蠕变。在盐岩体的实际工程中, 盐岩体的蠕变变形不允许进入加速蠕变阶段,因此, 盐岩本构关系中着重研究稳态蠕变特性是合适的。 蟾 0 5 lO O 25 3O 时间/h 图1围压4压12曲线 对盐岩流变特性及其本构关系国内外学者进 行了的大量的研究。王贵君等【的过程,提出了“损伤增速界限”的概念,建立 了一种能反映盐岩流变损伤的本构模型。刘绘新等【l 】 研究了四川地区盐岩蠕变规律。考虑盐岩体不同变 形机理的本构模型,其模型很复杂,参数众多。 等提出了考虑盐岩位错机理、硬化、 软化及损伤和损伤恢复的温度、不同应力条件下的M—盐岩 蠕变试验中,变形测量往往很难区分出其变形是由 哪一种变形机理造成的,其变形量是整个盐岩试样 各种机理、因素综合作用的体现。在这些本构模型 应用中,虽然模型中考虑了各种机理作用,但材料 参数拟合却是对综合变形量的拟合。在数值模拟分 析中,由于复杂的本构模型参数众多,也只有模型 研究者本人或其研究小组能够应用得很好,其推广 应用具有很大的局限性。实际工程中,使用简单的 本构模型,采用合适的参数,往往也能够获得理想 的数值模拟结果。5】等人对经典的盐岩本构 模型进行了研究,在不考虑温度的影响下,两参数 的幂指数本构模型与多参数模型一样能对试验数据 拟合得很好。本文数值模拟研究中选用盐岩幂指数 本构模型来描述盐岩的稳态蠕变率。在盐岩幂指数 本构模型中,采用岩稳态蠕变 率的表达式为 = 31S (1) 式中:A,,q=√3‘,2,12o 为应力偏量第二不变量。 3盐矿溶腔群建模 根据金坛盐矿的地质资料,盐岩层顶面高程为 940m,底面高程为1 080m,盐岩层厚度为140m, 盐岩中分别含有4层泥岩层,其厚度分别为2,3, 2,4 m,具体见图2。计算模型选取盐岩层上覆泥 岩层400m,盐岩层140m,盐岩层下泥岩100m, 共计640m,底面为600m×600m。上覆5401岩层转化为上覆荷载作用于模型的上表面,计算 区域下表面、立方体4侧面均向垂直于表面的法向 简支约束,单元类型采用四面体单元。 泥岩 目 静青 f、岩 …… 泥岩 8 2计算模壹圈 1溶腔 东1溶腔 东2溶腔 岗2溶腔 圈3溶腔平面分布圈 过对金坛盐矿已有溶腔进行初选,确定东岗 群腔的4口溶腔,分别为东1溶腔、东2溶腔、岗 1溶腔、岗2溶腔,拟将其改为西气东输的保安储 气库,4口溶腔井口平面位置布置如图3所示。通 过对该溶腔群进行声纳测量,确定了4口溶腔的基 本形状及主要尺寸数据,其基本形状均为梨形,腔 体高度由53.71.8 顶项板盐岩厚度由 第1期 陈锋等:盐岩储气库最佳采气速率数值模拟研究 5.9~19.9 大半径为41.9~46.1 根据测试所得腔休形状特征数据,采用三维数值模 拟软件完成了该溶腔群的网格剖分图,图4为整体 网格剖分图,图5为4口溶腔网格剖分图。 圈4模型整体同格圈 5涪腔同格圈 .7 体内压为由14.5 6.5 腔群内各腔体内压同步降压,表2 为计算方案表。 表1盐岩试样三轴试验结果表 叔 螺 .25 .15 O.1 O. O 0 3O 4o 5O 6o 时问,h 圈6盐岩■变试验曲线 2计算方寨衰 4计算参数和计算工况过对该盐矿盐岩大量的三轴压缩试验,盐岩 单轴抗压强度较低,横向变形能力较大,盐岩的变 形模量与单轴抗压强度的比值与一般的的岩石如砂 岩、页岩等的变形模量与单轴抗压强度的比值相比 较,要小1~2个数量级,表1为该盐矿部分盐岩试 样的试验结果,通过盐岩的试验结果,求得盐岩 c=1.25 =30。,与国外的盐岩相比,该盐 矿盐岩强度较低。通过对不同围压下盐岩的蠕变试 验,盐岩的蠕变率较高,介于(2.5~5.O)×h 之间。图6为该盐岩典型的盐岩的蠕变试验结果曲 线,基于对盐矿盐岩大量试验数据的分析与拟合, 计算中选取盐岩的流变参数为n=3.5,A=5.86× 根据该盐矿拟定储气库的运行工况,其运行压 力介于6.5~14.5 行过程共分为4个 阶段:即注气加压阶段,恒定高压阶段、采气降压 阶段、恒定低压阶段。为分析采气降压阶段储气库 的体积变形规律,模拟了9种不同的采气速率,分 别为以0.3,0.4,0.5,0.55,0.6,0.63,0.65,0.68, 5计算结果分析 5.1应力场分析 图7~图1至6.52、岗1、岗2溶腔群,最大、 最小主应力分布图,由图可看出,腔周最大、最小主 应力值均为负值(压应力),未出现拉应力,且东1、 东2、岗1、岗2溶腔群主应力的最小值为5.2略低于6.5 腔群在采气过程中腔周不会 出现拉应力。 60 岩 土 力 学 2007年 图7东1、东2嗣面最大主应力分布图 F.g.7 of 8东1、东2嗣面最小主应力分布图 of )09岗1、岗2嗣面最大主应力分布图 F.唱.9 of 10岗1、岗2嗣面最小主应力分布图 0 of .2体积减少规律分析 图14为两组溶腔群不同腔体的体积减 少规律,由图可以看出,其体积减少规律受降压速 率和时间影响,在相同降压时间时,降压速率越快, 溶腔体积减少越多。以降压速率0.3 内压降至6.5 1腔体的体积减少量为 0.231%,东2腔体的体积减少量为0.232%,岗1 腔体的体积减少量为0.248%,岗2腔体的体积减 少量为0。284%,岗2腔体的体积减少量最多,其 次为岗1。 0·25 0.20 0.15 .10 羹0.05 0 1—0.3 d 0.4d 0.5 d 0.55 d 0.6d 0.63d 0.65 d 0.68 d 0.7 d 0 5 l0 0 25 30 时间/d 图1 ·25 0.20 o.15 IⅢ o.1o 羹0.05 0 1—0.3d 0.4d 0.5 d 0.55 d 0.6d 0.63 d 0.65 d 0.68d 0.7d 0 5 l0 0 25 30 时间/d 图12东2腔体不同降压方案下体积减少曲线 F.g.12 .30 0.25 求0.20 o.15 o.10 0.05 0 1—0.3l~d 0.4l~d 0.5d 0.55 d 0.6d 0.63l~d 0.65l~d 0.68l~d 0.7 d 0 5 l0 0 25 30 时间/d 图13岗1腔体不同降压方案下体积藏少曲线 3 棚喀1 .30 0.25 0.20 }Ⅲ0.15 叁0.10 嬖0.0。5 0.3l~d 0.4d 0.5l~d 0.55 d 0.6l~d 0.63l~d 0.65l~d 0.68d 0.7 d 0 5 l0 0 25 30 时问/d 图14岗2腔体不同案下体积藏少曲线 4 岩 土 力 学 20 褂 攥 0.030 O..020 0.0..0 0.3 0.5 0.6 0.7 降压速率/一 圈22岗2腔体体积藏少速率与降压速率关系曲线 2 vs.结论 基于对盐矿溶腔群地质资料、盐岩力学特性进 行系统地研究,采用三维数值模拟方法对溶腔群作 为储气库运行的不同采气降压工况进行了研究。数 值模拟结果显示,在盐腔群以不同速率的采气过程 中,盐岩溶腔群腔周不会出现拉应力,通过对溶腔 群在不同采气速率下的蠕变体积变形规律分析,针 对溶腔群的最佳降压采气速率得出了有益的结论。 参考文献 【1】1 .of of a in of 】.11].993.533—544. 【2】to of ]. of 】.984.581—6【3】in ].of 981.555—572. 【4】..of .S.].of ].984. 717. 【5】 杨春和,陈锋.金坛盐矿已有溶腔可用性评估研究报 告【R】.武汉:中国科学院武汉岩土力学研究所,2005, 85—123. 【6】 K, of of ].06(2):336—341. 【7】 杨春和。殷建华。 J K.盐岩应力松弛效应的 研究[J】.岩石力学与工程学报,1999。18(3):262 J K.].999,18(3):262— 265. 【8】 杨春和,陈锋,曾义金.盐岩蠕变本构关系研究【J】.岩 石力学与工程学报,2002,21(11):1 6 604. on of 】.002,21(11):1 602—1 604. 【9】on of re on in ].of 脚].2004.861—864. 【1 o】曾义金,杨春和,陈锋,等.深井石油套管盐膏岩层蠕 变挤压应力计算研究唧.岩石力学与工程学报,221(4):595et of of in ].002,2l(4):595【贵君.一种盐岩流变损伤模型【J】.岩土力学,2003, 24(增):81—84. ].【 。2003, 24(:81—84. 【1 2】刘绘新,张鹏,盖峰.四川地区盐岩蠕变规律研究叨. 岩石力学与工程学报,2002,21(9):1 290—1 294. 队on of ].01(9): 1 290—1 294. 【13】as s ].1(9): 1 797—1 8【14】.of -D in 】.s 啪埔e 删C】.993.31—44. 【15】U J of to of ]..l =of ].993, 75—83. 【16】候正猛.金坛地下储气库15口采卤溶腔稳定性评价技 术服务报告德国:克劳斯塔大学,2004.18—25.
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