平顶山盐田互层状盐岩蠕变特性与试验模型研究

地下盐穴储气库围岩变形机理是地质可储性的关键问题。针对平顶山盐田盐层薄、夹层多以及埋藏深等特征,分别采集了纯盐岩、互层状盐岩、泥岩夹层三种岩石试样,进行了不同应力水平下的单轴和三轴压缩蠕变试验。蠕变试验结果表明,单轴和三轴状态下三种试样的蠕变均呈现初始蠕变和稳态蠕变两个阶段,互层状盐岩的初始蠕变时间相对较长,稳态蠕变率处于盐岩和泥岩之间,其变形主要由盐岩层贡献,同时层间变形的不协调导致互层状盐岩在稳态蠕变阶段出现泥岩夹层的颈缩内陷和盐岩层的膨胀外突破坏现象。根据互层状盐岩的蠕变特征,建立起蠕变模型,并根据试验数据拟合出模型参数。分析结果表明,理论模型和试验数据吻合较好,拟合参数完全佐证了上述互层状盐岩的蠕变特殊性,为盐田安全建立地下储气库提供一定的参考依据。

基于生长曲线的互层状盐岩储气库地表沉降预测

地表沉降是影响地下储气库稳定性的关键因素,准确预测和计算沉降量是保证储气库安全运行的重要手段。本文针对平顶山盐田地区特殊的地质条件,在分析沉降机理的基础上提出了基于Schnute生长曲线的沉降计算模型,利用监测数据通过非线性拟合得到模型参数,并对薄层状盐穴储气库地面沉降进行了理论计算。研究结果表明,储气压力为10MPa的40万方储气库,在蠕变5a、10a、15a、20a和30a之后,中心点沉降分别为26.4mm、50.4mm、58.5mm、61.9mm和65.1mm。预示着互层状盐岩地下溶腔的围岩比较稳定,不会造成上覆地层的大规模移动,研究成果对盐岩储气库工程建设和地质灾害防治具有一定的参考意义。

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。

平顶山地下盐穴储气库地表沉降机理数值模拟

针对平顶山盐田盐层薄、夹层多,埋藏深的特点,采用Fortran语言将蠕变模型导入有限元软件,分别建立单腔、双腔和群腔储气库计算模型,并且根据地面监测资料拟合得到模型参数,对不同工况下薄层状盐穴储气库的地面沉降进行了预测。研究结果表明:(1)储气压力10 MPa时40万方储气库,单腔蠕变影响范围约为30 m,蠕变5 a、10 a、15 a、20 a、30 a之后中心点沉降分别为49.21 mm、53.60 mm、57.70 mm、61.51 mm、64.44 mm,沉降范围基本一致约为1 500 m;(2)由于双腔相互影响,中点最大沉降量和沉降范围都比单腔略大,从溶腔稳定与沉降控制角度分析,地面对井最佳水平间距应大于地下溶腔最大直径的1.5倍;(3)群腔模式下中心点最大沉降量和沉降范围都有所增大,而且随着腔数的增加,二者增大的趋势越明显。以7溶腔储气库群为例,蠕变30 a之后中心点的沉降量达到247 mm,沉降的影响范围达到2 480 m。