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盐岩地下储气库风险分级机制初探

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地下 储气库 风险 分级 机制 初探
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第 30 卷第 12 期 岩 土 力 学 009 年 12 月 2009 收稿日期: 2009金项目  国家重点基础研究发展规划 (973)( 2009;国家自然科学基金项目资助( 40772173);教育部新世纪优秀人才支持计划( ;山东省自然科学基金项目资助( 。 第一作者简介:贾超,男, 1976 年生,博士(后) ,副教授,主要从事工程可靠度风险分析方面的研究工作。 章编号: 1000- 7598 (2009) 12- 3621- 06 盐岩地下储气库风险分级机制初探 贾 超1,张强勇1,张 宁1,刘 健1,李术才1,杨春和2( 土建与水利学院,济南 250061; 汉 430071) 摘 要: 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。 关 键 词: 盐岩地下油气储库;风险分级机制;功能设计;体积收缩率;储气内压 中图分类号: 文献标识码: A of 1. 50061, 2. 30071, is by so to of on as is is It is to So it is to on of to in of is as on is to of a on on is is 前 言 利用深部盐岩洞穴进行能源地下储备是国际上广泛认可的能源储备方式,也是我国能源战略储备的重点部署方向之一[1- 3]。由于国家能源储备的巨大需求,我国盐岩能源地下储库群大规模兴建已经开始,如:建设中的江苏金坛盐岩储气库, 2010 年将达到 15 个单腔(单腔容积约为 20× 104规模, 最终将形成由 100~ 120 个单腔组成的密集地下气库群。同时,一个由 50~ 60 个单腔组成的大型地下石油储库群也将在江苏金坛盐矿兴建,原油储备可达 300~ 600× 104t。另外,湖北云应、重庆万州和河南平顶山等盐矿区也已列入地下油气储备库建设规划。 总结盐岩地下油气储库使用状况,尽管相对于其他地下能源储备围岩体,盐岩能源地下储备库具有较好的安全性,但近 30 年来,国外盐岩地下油气储库灾难性事故时有发生,经常出现油气渗漏、溶腔失效、地表沉陷等灾害,对环境和能源储备安全带来了灾难性后果[4- 5]。据统计,国外有 60%的盐 岩 土 力 学 2009 年 岩储存库事故是由储库密闭性失效引起的,油气的大量损失,到达地面附近后还常常引起大火和爆炸(如图 1) ,严重威胁人民生命财产安全。另外,储备库围岩跨塌及过度变形造成功能失效,甚至可能会产生“多米诺骨牌”效应,影响库群中其他储备库的安全;库区地面异常沉降带来地层破坏及地表环境损伤(如图 2) ,影响居民生活。 图 1 美国 气库大火 (2004 年 ) 2004) 图 2 库群破坏导致地表塌陷 by 对国外建造在地层结构简单的巨厚盐岩层中的储备库相比,我国的盐岩层一般是盐层薄、夹层多、品位低、地下油气储备地质条件相对复杂、建库难度大、运行风险高,在我国这种层状盐岩中地下储库群的建设和运营将面临更为复杂的科学问题和技术难题。所谓盐岩地下油气储库的风险是指盐岩地下油气储库在全寿命周期内,在各种不确定性因素的影响下,盐岩地下油气储库遭受损伤破坏从而使其功能不能按预定要求发挥的可能性及产生的不良或不利后果。 本文侧重于从风险后果进行分析。 开展盐岩地下油气储库群风险分析研究,对可能的风险进行进行科学分级,确定每级风险对盐岩地下油气储库的功能影响程度等,为能源储备库的选址、设计、施工和安全运营提供理论支撑,是顺利实施能源地下储备的关键问题。 盐岩地下储备库是地下工程的重要领域,由于地下工程具有随机因素多、失效模式多样与不确定以及高度非线性等特有的特征,对其风险进行研究的尚不多见,特别是对盐岩这一特殊的地下工程的风险分析研究更为鲜见。在地下洞室工程领域的风险分析散见于一些论文研究中, 如 对洞室围岩支护结构的风险进行了研究[6]; ];洞室群系统的安全性进行了可靠度评价[8];国内刘宁综合考虑初始地应力、渗流荷载和岩体材料参数的随机性,提出了地下洞室围岩风险对随机因素敏感性的计算方法[9];韩宪军 ,陈健康等对地下洞室可靠度进行了研究[10- 11]; 黄宏伟等对隧道及地下工程建设中的风险管理进行了研究[12]。目前尚无针对盐岩地下油气储库群风险评价分析方法的研究报道。 2 盐岩地下油气储库风险分级机制的基本思想 本文拟在盐岩地下油气储库(群)的风险分析方面引入功能设计的理念对其进行风险分级。功能设计理念最早应用于工程抗震领域,从 20 世纪 90年代起在工程抗震领域开始发展了一种基于功能的工程抗震设计理念, 并得到广泛的重视和发展[13- 14]。美、日等国已在桥梁,高层建筑中开始进入设计规程。功能设计的内涵包括: ( 1)根据工程的功能要求确定不同的灾害防御目标,提出(超越概率意义上的) 不同的灾害荷载等级 ( ;( 2)在不同概率灾害荷载等级下, 分析结构工程的非线性反应参数( ,包括位移、不可恢复变形等等; ( 3)根据非线性反应量确定结构的破损指标 ( M) ,即所谓后果分析( ; ( 4)根据以上成果,由业主或行政部门根据工程结构破损失效概率造成的直接与间接损失进行合理选择( V) ,对安全与经济进行优化决策。这一新的设计理念把传统的安全分析转变为风险概率分析,并直接与使用功能失效概率相联系,这就为工程结构的安全度与经济性这对矛盾的统一放在更合理、更直观,为业主、公众与工程人员易于了解和接受的范畴内。 本文从功能设计理念出发,把盐岩地下油气储库按功能发挥的不同程度进行描述,每一功能发挥3622 第 12 期 贾 超等:盐岩地下储气库风险分级机制初探 的程度对应某一级别风险水平,这样就可把风险按功能发挥分为若干等级,以达到对盐岩地下油气储库风险分级的目的。 3 盐岩地下油气储库风险分级机制的方法初探 按盐岩地下油气储库不同生命期划分风险类型 盐岩地下油气储库按不同的阶段可以划分为不同的风险类型,而每一阶段所关注的风险类别是不同的。如按全寿命期可把盐岩地下油气储库划分为以下若干阶段:规划阶段、设计阶段、施工阶段、运营阶段、废弃阶段等。 ( 1)在规划阶段,储库建设方案的确定、库址的选择等为其后续的建设、运营等带来极大的不确定性,该阶段的风险往往具有很强的不确定性和隐蔽性,如果方案确定不当而后期又按照该方案进行建设,那么造成的损失往往也是巨大的,该阶段的风险损失往往由整个社会来承担。 ( 2)在设计阶段,储库将面临设计理论、计算理论及模型、计算分析能力、设计人员素质与责任心等各种风险。排除人为因素的原因,设计计算理论(包括模型试验设计理论)发展不完善是这个阶段需要引起足够重视的风险。 ( 3)施工阶段的风险往往来自施工工艺、意外事故、人为灾害等多方面。该阶段的风险事故是人们最为熟悉的风险事态。如工艺水平的高低影响着溶腔的稳定,利用水溶法开挖盐岩时,稍有不慎,若水压力过大,便会造成溶腔壁膨胀,损害边界。施工阶段的风险损失主要由施工单位、 业主等承担,但大多数施工阶段的风险能够通过严格管理、周密计划以及系统的风险管理方案得到很好的控制。该阶段的风险主要是控制施工,保持盐腔的稳定性,使其按预定方案的形状形成腔体。 ( 4)运营阶段的风险主要来自意外事故、人为因素及储库自身物理力学性质等。如储库岩体力学强度指标、 注采气压大小、 气压交变速率及梯度等。其风险后果最主要的是稳定性失稳及腔体体积收缩,这两种情况是运营期最为关注的风险,一旦产生失稳或体积收缩均可导致储库盐腔的破坏,使其丧失使用功能。 主要功能表征指标的确定及风险级别划分 本文主要考虑储库运营阶段的风险,运营阶段主要考虑体积收缩性,并认为腔体按均匀体积进行收缩。本文拟将盐岩地下油气储库运营期风险按目前通行标准划分为 4 级,按目前国际上普遍接受的标准,认为当溶腔体积收缩 30%时,盐腔丧失使用功能,可确定进入 风险的体积收缩率为 30%,另外两个界限值经初步研究及与相关工程单位探讨暂定为 10%及 20%,因此,以体积收缩率作为风险等级分区的标准如表 1 所示。 表 1 运营期风险分级表 险等级 风险后果 风险水平 工程力学描述 功能描述 体积收缩率/ % I 可忽略 可接受风险 变形或损伤可接受,可不采取工程控制措施 功能正常发挥 ≤ 10 果较轻 轻度风险 处于轻微变形损伤状态,可适当采取工程措施 主要功能不受影响 10~ 20 果较严重 重度风险 处于严重变形损伤状态,必须采取 工程控制措施 主要功能受到损害,经过维护可以运行 20~ 30 果非常严重 灾难性风险 有可能发生储库跨塌破坏,必须避免 全部功能丧失殆尽,应极力避免 ≥ 30 4 算例分析 流变力学分析模型 采用 自带的盐岩的黏弹性蠕变模型,它是由 人 1980 提出的基于盐岩材料试验的经验蠕变模型[16- 18], 常用于描述自然状态下与时间和温度有关的蠕变特性。该模型的应变速率标量 ε,有两个部分 和 ,他们分别对应于初始蠕变 和次级蠕变 : p ε=+  ( 1) 初始蠕变速率的表达式取决于次级蠕变(第 2阶段蠕变)速率的大小为 (){}*ps s ss s p s , /, εεε εε ε ε⎧ −⎪=⎨−<⎪⎩ ≥当当( 2) 而次生蠕变速率为 (/) ( 3) 式中: D、 A、 B、 n 以及* 为材料常数; R 为通用气体常数; Q 为激活能量; T 为绝对温度; σ 为如下的应力量: 32σ = ( 4) 3623 岩 土 力 学 2009 年 储库数值计算模型与计算参数 选取江苏金坛盐岩地下油气储库为计算算例[15],其盐岩层厚度为 300 m,顶板和底板各为 300 m 的泥岩层,溶腔为标准椭球体,轴长分别为 70、 30、30 m,位于岩层中间,覆盖层厚度为 700 m,作为等效荷载施加在模型上,建立图 3 所示的数值计算模型,由于模型对称,仅取 1/4 部分进行计算,共剖分了 53 246 个节点, 48 890 个单元。 图 3 盐岩油气储库模型 of 据相关资料[15],金坛油气储库地层基本材料参数见表 2;根据文献 [17],盐岩蠕变计算参数见表3。 表 2 地层基本参数 of 层 弹性模量 / 松比 密度 / (kg/泥岩 351 盐岩 199 表 3 盐岩蠕变参数参数表 of 岩 参数值 激活能量 Q / (12 000 常数 A 数 B 127. 蠕变常数 D / 0 0−8蠕变指数 n 度 T / (℃ ) 体常数 G / ( 计算结果分析 分别计算了内压为 0(不储气) 、 3、 5、 10 积收缩率随蠕变时间的变化曲线,结果如图4~ 7 所示。根据体积收缩率这一表征指标,可将不同储气内压条件下储库风险分区随时间的变化进行分级并在图中进行标示(见图 4~ 7) 。 图 4 空腔时体积收缩率随时间变化及风险分区 5 内压 3 体积收缩率随时间变化及风险分区 6 内压 5 体积收缩率随时间变化及风险分区 7 内压 10 体积收缩率随时间变化及风险分区 0 变时间 / a 蠕变时间 / a 蠕变时间 / a 蠕变时间 / a 3624 第 12 期 贾 超等:盐岩地下储气库风险分级机制初探 由以上计算分析可得出以下结论,首先,由于盐岩的蠕变特性,溶腔体积收缩率随时间具有明显的增长趋势;其次,在不同的储气内压条件下,其体积收缩性的变化也具有明显不同的特征,储气内压越大,在相同的时间段内,其体积收缩率越小;最后,通过计算可知,不同的储气内压条件下,储库进入各级风险的时间也不同,总体来说,储气内压越大,进入同级风险区的时间越靠后。如,从图4~ 7 可知, 在储库储气内压分别为 0、 3、 5、 10 库进入Ⅱ级风险的时间分别对应为 、 3、 40 年,而在 10 营气压条件下,储库在 80 年时间内是进入不了Ⅲ级风险区的, 这说明在一定的条件下,增大储库运营气压可以有效降低储库风险。 5 总 结 在盐岩地下油气储库风险分析中引入功能设计的理念,提出了盐岩地下油气储库风险分级机制的基本方法,确定了施工期Ⅱ级风险判别标准,运营期Ⅳ级风险分级指标标准,并确定了各级风险对应的指标范围。最后,以国内某盐岩地下储气库为例,计算了不同储气内压条件下,体积收缩率随时间的变化情况及风险分区随时间的变化情况,并对结果进行了分析,较好验证了所提方法的合理性和有效性。 参 考 文 献 [1] 杨春和 , 梁卫国 , 魏东吼 , 等 . 中国盐岩能源地下储存可行性研究 [J]. 岩石力学与工程学报 , 2005, 24(24): 4409- 4417 on of in ]. 2005, 24(24): 4409- 4417. 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