中国大规模盐穴储氢需求与挑战

氢能是来源广泛且低碳清洁的能源,大力发展氢能产业是实现双碳目标和应对全球能源转型的重要举措。在氢能“制备―储存―运输―应用”全产业链中,储氢难问题长期制约着氢能产业高质量发展。盐穴储氢具有成本低、规模大、安全性高和储氢纯度高等突出优势,是未来氢能大规模储备的重要发展方向,也是我国能源低碳转型的重大战略需求。综合调研了我国制氢产业和氢能消费现状,分析了我国盐穴储氢的需求。调研了国外利用盐穴储存天然气和氢气的技术及工程现状,总结了我国盐穴储气库发展和建设历程。对比了利用盐穴储存天然气、氦气、压缩空气和氢气的异同点,提出我国盐穴储氢面临三大科技挑战:层状盐岩氢气渗透与生化反应、盐穴储氢库井筒完整性管控、储氢库群灾变孕育与防控。研究成果明确了我国氢气储备需求的快速增长趋势和大规模盐穴储氢的重点攻关方向。

中国深部地下空间储能的理论和技术挑战

深层地下储能是利用深层地下空间进行大规模储能,是提供稳定的清洁能源供应、实现石油战略储备、促进天然气调峰的重要途径。岩盐地层是大规模储能的理想地质介质,而中国盐岩资源丰富,储能空间严重短缺。与其他国家的盐丘相比,中国的盐类岩层为典型的湖相层状盐岩,具有层薄、杂质含量高、夹层多的特点。盐类储层大规模储能的发展面临着科学和技术上的挑战,包括:①考虑多场多相耦合的影响,建立储能洞室周围岩体的多尺度递进破坏和表征方法;②了解大型地下深层蓄能洞室渗漏演化规律;③了解大型地下深层储能洞室的长期性能演化;④开发深层地下盐穴储能智能施工技术;⑤保证深层地下蓄能空间的长期功能。解决这些关键科技问题的关键在于为中国大规模地下深层储能的发展奠定理论和技术基础。

基于孔洞应力解析逼近解的深埋管道围岩稳定性分析

地下深埋管道在不同工作状态下的安全和稳定性一直受到工程技术人员的关注。应用平面孔洞应力解析逼近解理论,对3种不同工作压力下某深埋管道围岩应力和稳定性进行计算分析。计算结果表明,最大内压下洞室顶部和底部的大主应力小,侧壁应力大,角点处出现应力集中;塑性区的范围主要出现在洞室顶部和底部附近区域,且上下对称,明显形成压力拱。不同压力下,洞室顶部和底部应力随内压的增大而增大,而侧壁应力随之逐渐分布均匀;塑性区主要出现在洞室拱顶和底板区域,塑性区范围随压力增大而增大。计算结果为深埋管道围岩稳定性分析提供新的计算途径,为不同工作状态下管道的安全性提供理论支撑。

卤水浸泡对泥质夹层抗拉强度影响的试验研究

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一个亟待解决的技术难题。以该问题为背景,研究不同浓度卤水浸泡对各类含盐率泥质夹层试样抗拉强度弱化的影响规律。试验结果表明:浸泡卤水的浓度越低、浸泡时间越长对夹层抗拉强度弱化的影响越明显;夹层中盐岩的溶解与黏土矿物的吸水膨胀及软化对试样抗拉强度的弱化有相互促进的作用。试验结果还表明,不同含盐率试样抗拉强度弱化的规律各不相同:在与造腔现场卤水浓度相近的卤水浸泡下,低含盐率泥质夹层抗拉强度弱化的程度较轻、速度较慢;中含盐率夹层试样由浸泡引起的弱化现象较为明显,盐岩颗粒的溶解及黏土矿物的吸水膨胀对夹层的弱化起控制作用;高含盐率泥质夹层试样在非饱和卤水浸泡下快速弱化破坏,其主要原因是盐岩颗粒的溶解引起的架构破坏。

盐穴储气库建槽工程实践与顶板极限跨度分析

通过分析金坛盐穴储气库的建槽工程案例,探讨建槽施工中遇到的若干问题,总结经验教训并提出工艺改进方案,进而讨论建槽期工艺设计应考虑的关键问题,阐明确定盐腔顶板极限跨度的必要性,并提出建槽期盐腔顶板极限跨度的确定方法,应用该方法开展基于数值试验的极限跨度分析,获得不同侧溶底角及盐腔高度条件下的盐腔顶板极限跨度,并对其规律进行分析。

溶蚀岩体三维随机洞体数学模型的设计

溶蚀岩体是地质体中一种特定的岩体 ,它在水流等自然因素作用下 ,生成了许多溶蚀洞体 ,本文首先对作为其载体的三维地质体进行数学描述和显示 ,然后对如何确定椭球洞体形状和大小、复杂洞体的生成、三维随机洞体的数学模型以及确定性洞体的数学描述和计算机显示进行了详尽的阐述。本文提出的溶蚀岩体三维随机洞体的数学模型为溶蚀岩体的溶蚀率和渗透特性的研究提供了可视化手段 。

考虑渗流-应力耦合作用的层状盐岩界面裂缝扩展模型研究

针对中国地下油气储库建设中所出现的含夹层盐岩问题,基于黏结裂缝模型,构建一种可以考虑层状盐岩地层界面启裂、裂隙扩展和流体渗漏的黏结单元,导出地层界面损伤演化方程、裂隙扩展准则以及缝内流体流动方程,建立考虑渗流-应力耦合作用的层状盐岩界面裂缝扩展模型,通过典型算例验证模型的有效性。研究层状盐岩地层界面启裂与裂隙扩展过程。研究结果表明:地层的渗透性和裂缝面漏失系数对地层界面裂隙扩展有明显影响,地层渗透性系数越小,地层开裂程度越大;而裂缝面漏失系数越大,地层开裂程度越弱,但流体渗漏程度加大。

岩盐椭球储气库应力解析及其稳定性分析

岩盐地下储气库根据成腔方式不同,储气库形状也有较大变化,但简化为细长旋转椭球体(短长轴比s)是合理的.假定岩盐体为无限大各向同性线弹性体,将旋转椭球岩盐储气库受力分解为两种受力状态:有内压的静水压力状态和无内压的非静水压力状态.利用弹性理论应力叠加原理,求得了在地应力场(垂直p,水平p0)和内压(pi)作用下储气库腔壁上关键点(顶点和赤道线上任意点)的应力精确解析解.对某岩盐储气库进行了数值模拟计算,数值计算结果与解析解较接近.分析了关键点应力随椭球腔形状、地应力和内压的变化规律,认为径向应力随内压比(pi/p)的增加而增加,几乎与轴比(s)无关;水平环向应力随内压比和轴比的增加而减小.结合已有试验资料,确定了盐岩广义Hoek-Brown破坏模型参数,并据此计算得到了储气库不出现破坏时的极限内压值范围,当s=0.9时极限内压较小.

岩盐中不溶物含量对储气库腔体有效空间大小的影响

主要研究了岩盐不溶物含量对岩盐储气库水溶建腔有效空间大小的影响。根据水溶建腔机理,建立岩盐储气库水溶建腔数学模型,通过岩盐溶腔数学模型,分别对岩盐中不溶物含量不同的地层条件下,岩盐储气库水溶建腔进行动态模拟数值计算,综合分析岩盐中不溶物含量对岩盐储气库水溶建腔的影响规律。

多夹层盐穴储气库群间矿柱稳定性研究

以某拟建多夹层盐穴储气库为工程背景,利用FLAC3D建立了拟建盐穴储气库有限元计算模型,讨论了矿柱宽度、内压、埋深、蠕变时间和相邻盐穴内压差等参数对盐穴储气库间矿柱受力和变形影响规律,分析了在注采气时间同步和不同步工况下矿柱的稳定性。计算结果表明：矿柱中的应力随着埋深和相邻盐穴压差的增加而增加,随着矿柱宽度、内压和蠕变时间的增加而降低,但内压影响不显著;蠕变使得矿柱中应力逐渐变均匀,5 a以后影响不显著;内压差在蠕变过程中使得矿柱的蠕变位移大幅增加;注采气时间不同步模式对矿柱稳定不利,尤其当矿柱宽度较小时更为显著。建议盐穴储气库间矿柱宽度取2~3倍盐穴直径,相邻盐穴间矿柱宽度较小时,尽量不采用注采气时间不同步模式运行。

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。

边坡下伏地下圆形洞室的弹性应力解析

根据洞室与边坡的相对位置,将其分为深埋地下洞室与浅埋地下洞室,并分别建立了计算模型。将浅埋圆形洞室视为分布荷载作用下半无限体表面附近的孔洞的应力分析问题,采取复变函数的保角映射得到了浅埋洞室的应力解析解。将深埋洞室视为一个双向受压无限板孔应力集中问题,得到了边坡下伏深埋圆形洞室的应力解析解。以某填筑边坡下地下圆形洞室为例,计算得到了浅埋圆形洞室周边的径向应力与环向应力分布,计算结果表明洞室圆心水平线上的环向压应力随着与洞周距离的增加逐渐减小,但径向压应力却是首先增加,然后才逐步减小。洞顶圆周出现环向拉应力,随着越来越接近地表,环向应力逐步转变为压应力并且越来越大,而径向应力逐渐变大。洞周环向拉应力在洞顶与洞底数值最大,洞室左右两端洞周环向压应力数值最大;洞周径向应力在洞顶、洞底数值较小,左右两端洞周应力最大。

层状盐岩建库技术难点与对策

我国含盐盆地主要为陆相沉积,盐矿多为湖相沉积形成的薄层状结构,具有单盐层薄、夹层多、不溶物含量高等特征,与国外盐丘建库相比,我国层状盐岩建库面临着造腔速度慢、腔体形态控制难、成腔效率低等技术难题。文章主要针对我国层状盐层造腔过程中面临的主要建库技术难题,深入研究水溶机理和夹层垮塌机理,提出造腔优化、水平定向井型、空间动用效率来解决造腔控制难、造腔速度慢、成腔效率低技术难题。

岩盐储气库水溶建腔优化设计研究

作为“西气东输”工程的配套项目,江苏金坛储气库近日正式投产。根据金坛盐矿有利的建库地质特征,运用岩盐溶腔数值模拟软件对溶腔形态变化规律和影响因素进行了分析研究。从溶腔的总体结构以及水溶建腔过程中生产参数如油垫的位置、循环方式、流量控制、管柱组合等方面进行优化设计,给出水溶建腔优化设计准则和方法;针对岩盐储气库水溶建腔方案,提出造腔时间、平均排量、溶腔体积、平均出口浓度、设计符合率等5项主要评价指标,运用灰色物元分析方法对水溶建腔多方案进行优选,得到最佳方案。实例计算表明,按照一定的水溶建腔优化设计准则和方法,能够对岩盐储气库溶腔进行优化设计;岩盐储气库水溶建腔采用灰色物元分析方法能够全面科学地确定设计方案的优劣,很好地解决储气库水溶建腔方案设计优选的问题。

红层软岩崩解性路用控制方法研究

采用灰色关联度分析法对红层软岩的矿物成分、化学成分、崩解试验等数据进行了分析。分析表明,水理特性不稳定的粘土矿物始终是影响软岩崩解的主要因素之一,而不同的化学成分对红层软岩崩解性的影响程度不同。通过以纯水、MgCl_2,FeCl_3,NaCl,CaCl_2盐溶液作为红层软岩岩块浸泡液的崩解试验,说明纯水浸泡下软岩的崩解性最强,而所选3种盐溶液对所选红层软岩样品的崩解性均有抑制作用,其中又以 CaCl_2抑制作用最强。在此基础上提出公路施工中填筑前以浇水作为加快红层软岩崩解,填筑压实中以掺入石灰作为抑制软岩崩解路用控制方法。

盐岩球腔储库弹性应力分布的理论解析

假定地下储气库为球形腔体,利用在弹性阶段应力可叠加的基本原理,将球形储气库的受力方式简化分解为静水压力和垂直方向受力。对这2种受力方式下围岩应力分布解析结果进行叠加,获得在远场三轴压应力和储库内部压力共同作用下球腔储气库围岩弹性应力分布的完整解析解。在相同条件下,对盐岩球腔储气库进行数值分析,并将解析解与数值分析结果进行比较,结果表明,应力分布解析解与数值解吻合较好,验证所提出的分析方法是合理可行的。结合Hoek-Brown破坏准则,计算得出储气库不出现塑性破坏时的极限内压值范围。

黄壁庄水库副坝塌陷原因分析

简述了黄壁庄水库副坝地基混凝土防渗墙加固中的6次塌陷情况.以最严重的6号塌坝为例,分析了塌坝前后的坝基组成变化及塌坝进程.分析表明,坝基基岩存在溶洞及洞内潜流,致使防渗墙槽孔孔底失稳、灌浆及堵漏材料大量流失和坝基细砂层液化,导致副坝大规模塌陷.

盐岩非线性流变性态及地下复杂溶腔变形数值分析

针对平顶山盐田盐岩层数多、单层厚度薄、泥岩夹层多的特点,建立等效复合单元代替互层状盐岩体,利用ABAQUS软件对马庄井田的地下溶腔进行三维数值模拟研究,探讨不同内压下,腔周塑性区围岩的非线性流变性态以及溶腔体积缩减规律。结果表明:(1)等效复合单元在稳态蠕变阶段具有较好的数值稳定性,泥岩能有效地限制黏塑性区范围以及围岩向洞内位移的发展;(2)在围压(8 MPa)作用下,互层状盐岩单元体基本呈现线性小变形特征,溶腔体积收缩率与蠕变持续时间均呈现最低值,分别为3%与2.5 a,随着内压增大(8~12 MPa),互层状盐岩单元体开始呈现非线性蠕变,但经过较短时间后(2.5 a)体积收缩率逐渐稳定至一较小值,约为3.5%,随着内压的迅速减小(≤4 MPa),腔周盐岩逐渐呈现非线性大变形特征,表现为稳态蠕变时间增长,蠕变速率增加,5 a后围岩蠕变仍在稳定增加;(3)塑性区围岩内的黏滞系数随时间普遍加大,体现了互层状盐岩在储气运行过程中越来越稳定的变形趋势,因此,实际运行时储气压力应控制在合理范围(4~12 MPa),尤其要减少在较小内压下的蓄气运行时间。

复杂岩性盐穴储气库水溶特性及造腔对策

我国盐穴储气库建库地质条件复杂,优选建库区域及层段是盐穴储气库高效建库的基础。以平顶山、淮安、安宁、楚州4座盐穴储气库为研究对象,针对不同建库区、不同建库层段、不同特征岩性开展岩心水溶组分分析化验,归纳了4座储气库建库地层水溶特性,分析了不同地区造腔影响因素,并提出相应建库对策:(1)平顶山加强夹层垮塌的控制和预测;(2)淮安采取水平井工艺避开厚夹层;(3)安宁采取防垢、除垢措施减小管道结垢对工程的不利影响;(4)楚州采取提高残渣有效空间动用率的方式增大库容。

单薄层岩盐矿山钻井水溶开采技术新发展

四川久大制盐有限公司长山盐矿,首次应用水平钻井技术,在威西单薄层岩盐矿体上,钻成两眼大溶腔外水平连通补救井,开创了国内单薄层岩盐矿山水平井技术应用之先河,多项技术、经济指标超过了其它类型岩盐矿山水平对接井,取得了良好的经济效益和社会效益。