论文部分内容阅读
国外盐穴储气库普遍位于盐丘和厚盐层，而我国只能在薄盐层中开展盐穴储气库的规划和建设。盐丘和厚盐层通常构造简单、均质性好。相反，薄盐层一般含有较多难溶夹层，具有层状分布、非均质的特点。多夹层盐矿储气库面临着以下两大方面难题:一是含夹层盐穴的稳定性问题，盐岩和夹层的力学特性存在显著差异，造腔之后两者的应力不同并且存在界面破损的风险，然而目前对于上述问题的理论研究尚不完善;另一方面，在国内多夹层盐矿水溶造腔过程中出现了夹层无序垮塌、盐腔体积扩展不足、排出卤水浓度偏低等问题，亟待优化造腔工艺参数，但是目前缺少可靠有效的评价标准。所以，也极有必要对造腔效率评价方法开展研究。 本文通过地质调查和岩心成分分析介绍了我国盐矿建库地质条件;针对盐矿3类岩心（纯盐岩、纯夹层、含夹层盐岩）开展了单轴压缩和三轴压缩等力学试验，并且基于岩土锚固理论从机理上有效解释了含夹层盐岩的力学行为;不仅如此，对三轴压缩下含夹层盐岩试样的研究可进一步推广至宏观盐穴的稳定性分析，包括含夹层直立盐穴和含夹层水平盐穴;为直观地了解盐岩和夹层的溶蚀特性，开展了盐岩侧溶试验、卤水作用下夹层溶蚀试验、夹层碎胀性试验;针对多夹层盐矿储气库的造腔效率评价，从速度、成本、质量等方面提出多个指标，采取综合指数法进行指标的标准化以及指标合成，从而建立了造腔效率的评价方法，并初步应用于工程。 本文的研究成果主要有以下几方面: 1.国内盐矿建库地质条件分析:国内盐岩矿床普遍为盐岩和夹层组成的复合层状结构，并且界面微观结构显示盐岩和夹层两者的颗粒紧密结合;江汉黄场储气库的夹层具有以下特点，如夹层在造腔范围内均匀分布、厚度偏大、不溶物含量高而且主要矿物为白云岩;金坛储气库的夹层具有不同的特点，如夹层集中分布在造腔范围的中部和上部、夹层厚度偏小、含一定黏土矿物。 2.含夹层盐岩力学特性的试验和理论研究:通过一系列力学试验获得纯盐岩、纯夹层和含夹层盐岩的力学参数，并且发现了三轴压缩试验中含夹层盐岩新的破坏形式;对于三轴压缩下含夹层盐岩，基于岩土锚固理论从夹层单元的静力平衡和界面荷载传递等方面展开分析，求得夹层的应变和应力、特别是界面上剪应力的公式，并通过数值模拟验证了相关应力公式的准确性;结合多种破坏准则分析了三轴压缩试验中含夹层盐岩的破坏机理。 3.含夹层盐穴的稳定性分析:首先，所研究盐穴的类型除了已经应用的含夹层直立盐穴，还涉及有发展前景的含夹层水平盐穴;在含夹层盐穴中，也可基于岩土锚固理论推导出夹层应力和界面剪应力等公式，特别发现界面剪应力在腔壁处最大（应力集中现象）并且在中性点两侧剪应力的方向不同;影响含夹层盐穴稳定性的一个方面是界面滑移，由界面上正应力和剪应力构造了界面滑移指数，计算结果表明腔壁处易先发生界面滑移，并且夹层弹性模量和夹层厚度越大越容易引起界面滑移;影响含夹层盐穴稳定性的另一个方面是盐岩和夹层的塑性区，发现夹层塑性区的范围大于盐岩，并且夹层塑性区大小受夹层弹性模量影响。 4.盐岩和夹层的溶蚀特性试验研究:进行盐岩侧溶试验，测量了侧溶进尺、时间、卤水浓度以及最终的侧溶角，发现指数衰减函数可以较好反映侧溶进尺和时间的关系，通过函数拟合并求导的方法计算侧溶速率;采用厚夹层的岩心开展了卤水作用下夹层溶蚀试验，发现该夹层溶蚀的多个特点，如含盐率低、泥质较多时溶蚀明显、白云岩较多时可长期保持完整性、夹层内部水平层理面粘结力低易于分离;将厚夹层岩心破碎成不同直径的片状和颗粒状散体，将散体体积与夹层原始体积相比得到碎胀系数，并且发现夹层散体长期浸于卤水则其碎胀系数减小。 5.多夹层盐矿储气库造腔效率研究及应用:构建了评价造腔效率的三个指标如体积增速、耗水率、欠溶率，并通过综合指数法得到造腔效率的定量评价模型;综合运用模拟试验、最优化方法和相关评价指标进行各类造腔工艺参数的优化，从而为造腔方案设计提出了一套实用的方法;以上研究在实际造腔工程中得到了应用，如金坛储气库各井造腔效率总体得到提高，江汉黄场储气库王储3井的厚夹层实现大面积垮塌。