CN105675384A - 储油环境下深部硬石膏洞室群稳定性评价及布局优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种储油环境下深部硬石膏洞室群稳定性评价及布局优化方法。本发明评价方法包括四部分，分别为深部硬石膏围岩工程地质特征分析，深部硬石膏围岩力学参数分析，储库洞室群稳定性研究和洞室布局优化设计。本发明运用Hoek-Brwon经验准则和地质强度指标，厘清硬石膏围岩岩石与岩体力学参数的折减规律，为洞室群围岩稳定性数值模拟提供参数依据；提出了单元安全系数法，并结合围岩应力场、位移场和塑性区综合评价洞室群围岩稳定性。本发明可用于储油环境下优化深部石膏洞室群的布局方案，提高硬石膏洞室的储油效率；并评价储油环境下深部硬石膏洞室群的稳定性，为科学论证深部硬石膏采房储油适应性提供参考方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于评价储油环境下深部硬石膏洞室群稳定性的方法，还涉及一种储油洞室优化布局的方法。
背景技术
被誉为“工业血液”的石油是国家经济发展的重要战略资源。与传统的地表石油储备方式相比，地下油库具有更安全、更环保、节约土地资源、降低工程造价等优点。国内外，包括地下水封洞库、深部盐岩洞穴库等类型的地下油库已有大量的应用和研究，但尚无利用深部硬石膏采空区储油的先例。洞室稳定性及密封性是决定地下油气库成败的关键因素，不论何种地下储油洞室，研究围岩在储存原油及地下水环境中长期弱化机制对于洞室长期稳定性与密封性的评价是非常必要的。但目前并没有系统的评价方法来研究深部石膏矿储油洞室的稳定性及长期稳定性。同时，国内外学者对于采矿洞室优化布局的研究已经比较成熟，而对于考虑储油环境的深部硬石膏开采洞室的优化及评价体系少有提及。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种储油环境下深部硬石膏洞室群稳定性评价与洞室布局优化的方法，能有效地解决上述现有技术存在的问题。
为此，本发明采用以下技术方案：
储油环境下深部硬石膏洞室群稳定性评价及布局优化方法，其特征是，所述的评价方法包括四部分，分别为深部硬石膏围岩工程地质特征分析，深部硬石膏围岩力学参数确定，储库洞室群稳定性研究和洞室布局优化设计；
1)、所述的深部硬石膏围岩工程地质特征分析包括分析矿区的区域地质背景、构造地质特征和地层特性；
2)、所述深部硬石膏围岩力学参数取值，包括以下步骤：
步骤1：对岩样进行力学试验，包括测试岩石的密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、抗压强度及抗拉强度；步骤2：对岩体强度进行参数分析及取值；
3)、所述储库洞室群稳定性研究，考虑储油效应，包括数值模拟计算和洞室围岩稳定性分析；
4)、所述洞室布局优化，包括评价指标的选取，试验方案设计及优化结果分析；
所述的评价指标的选取，将围岩塑性区分布规律及单元安全系数作为评价指标；
所述试验方案设计，以硬石膏采房设计尺寸作为初始参数，选取采房立柱宽度、立柱高度和隔层厚度作为影响因素，设计5水平，共设计25种试验方案，进行试验；
所述优化结果分析，分析各试验塑性区分布情况和单元安全系数，得出因素的最佳水平组合。
使用本发明可以达到以下有益效果：本发明运用Hoek-Brwon经验准则和地质强度指标，厘清硬石膏围岩岩石与岩体力学参数的折减规律，为洞室群围岩稳定性数值模拟提供参数依据；提出了单元安全系数法，并结合围岩应力场、位移场和塑性区综合评价采房围岩稳定性。本发明可用于优化深部石膏洞室群的布局方案，提高硬石膏洞室的储油效率；并评价储油环境下深部硬石膏洞室群的稳定性，为科学论证深部硬石膏采房储油适应性提供参考方法。
附图说明
图1为本发明的洞室群稳定性评价与洞室布局优化方法流程示意图。
图2为本发明的单元安全系数法原理图。
图3为本发明的洞室布局优化示意图。
图4为本发明的各评价指标最佳水平组合分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
实施例：如图1～图4所示，本发明的评价方法包括四部分，分别为深部硬石膏围岩工程地质特征分析，深部硬石膏围岩力学参数分析为深部硬石膏围岩工程地质特征分析，深部硬石膏围岩力学参数分析，储库洞室群稳定性研究和洞室布局优化设计；
1)、所述的深部硬石膏围岩工程地质特征分析包括分析矿区的区域地质背景、构造地质特征和地层特性；
2)、所述深部硬石膏围岩力学参数分析，包括以下步骤：
步骤1：对岩样进行力学试验，包括测试岩石的密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、抗压强度及抗拉强度；
步骤2：对岩石强度参数进行科学折减，确定储油洞室围岩岩体强度参数；
3)、所述储库洞室群稳定性研究，包括数值模拟计算和洞室围岩稳定性分析；
4)、优化储油洞室布局，包括评价指标的选取，试验方案设计及优化结果分析；
所述的评价指标的选取，将围岩塑性区分布规律及单元安全系数作为评价指标；
所述试验方案设计，以硬石膏采房设计尺寸作为初始参数，选取采房立柱宽度、立柱高度和隔层厚度作为影响因素，设计5水平，共设计25种试验方案，进行试验。
作为优选，区域地质背景及构造地质特征主要分析矿区及周边褶皱及断层的发育情况，评估裂隙的贯通情况；地层特性主要评价地层及围岩(包括矿体岩性特征、顶板围岩岩性特征及底板围岩性特征)的类别，并测试地层及围岩的物理力学参数。
作为优选，步骤1中所用岩样均为-400m水平采房现场采取或钻孔所得，并依据《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266-2013)对岩样进行精细加工，使得岩样直径为50mm，高度为100mm，两端平整度误差不大于0.02mm，垂直于岩样轴线，最大偏差不大于0.25°，岩样高度上直径误差不大于0.3mm。
作为优选，步骤2中运用基于Hoek-Brown强度准则和地质强度指标(GSI)的综合量化方法对硬石膏岩体强度参数进行研究，包括岩体单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角及对应岩石参数的折减率。
作为优选，数值模拟计算采用FLAC3D有限差分软件进行计算，且模型匹配在特定的压力水平下的非线性Hoek-Brown强度包线；流动法则按照应力状态来分配流动法则，在完全拉伸区，使用径向流动法则。在压缩且拉伸或等于0的区域使用关联流动法则。单元安全系数评价在基于Hoek-Brown强度准则，结合模型的应力场分布，提出单元安全系数，保证模型中的单元具有一定的强度储备。
作为优选，立柱宽度逐渐进行递增，5水平分别选取10m,12m,14m,16m,18m。
作为优选，立柱高度逐渐进行递增，5水平分别选取11m,13m,15m,17m,19m。
作为优选，隔层厚度逐渐进行递增，5水平分别选取10m,14m,18m,22m,26m。
所述优化结果分析，考虑在构造应力状态下实现储油，分析各试验塑性区分布情况和单元安全系数。运用极差分析法，由极差大小排出影响塑性区体积大小、上立柱安全系数、下立柱安全系数和隔层安全系数的各因素的重要性顺序，并得出因素的最佳水平组合。
作为优选，塑性区分布规律主要考虑上、下立柱和隔层是否出现贯通区；塑性区体积为围岩处于塑性极限的所有单元体积总和；上立柱安全系数为上层各个立柱所在单元的安全系数平均值的极小值；下立柱安全系数为下层各个立柱所在单元的安全系数平均值的极小值；隔层安全系数为隔层所在单元的安全系数平均值的极小值。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.储油环境下深部硬石膏洞室群稳定性评价及布局优化方法，其特征在于：所述的评价方法包括四部分，分别为深部硬石膏围岩工程地质特征分析，深部硬石膏围岩力学参数分析，储库洞室群稳定性研究和洞室布局优化设计；
1)、所述的深部硬石膏围岩工程地质特征分析包括分析矿区的区域地质背景、构造地质特征和地层特性；
2)、所述深部硬石膏围岩力学参数分析，包括以下步骤：
步骤1：对岩样进行力学试验，包括测试岩石的密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、抗压强度及抗拉强度；步骤2：确定储油环境下洞室岩体强度参数；
3)、所述储库洞室群稳定性研究，包括数值模拟计算和洞室围岩稳定性分析；
4)、优化洞室布局，包括评价指标的选取，试验方案设计及优化结果分析；
所述的评价指标的选取，将围岩塑性区分布规律及单元安全系数作为评价指标；
所述试验方案设计，以硬石膏采房设计尺寸作为初始参数，选取采房立柱宽度、立柱高度和隔层厚度作为影响因素，设计5水平，共设计25种试验方案，进行试验；
所述优化结果分析，分析各试验塑性区分布情况和单元安全系数，得出因素的最佳水平组合。
2.根据权利要求1所述的储油环境下深部硬石膏洞室群稳定性评价及布局优化方法，其特征在于：区域地质背景及构造地质特征主要分析矿区及周边褶皱及断层的发育情况，评估裂隙的贯通情况；地层特性主要评价地层及围岩的类别，并测试地层及围岩的物理力学参数。
3.根据权利要求1所述的储油环境下深部硬石膏洞室群稳定性评价及布局优化方法，其特征在于：所述深部硬石膏围岩力学参数分析步骤1中所用岩样均为-400m水平采房现场采取或钻孔所得，并对岩样进行精细加工，使得岩样直径为50mm，高度为100mm，两端平整度误差不大于0.02mm，垂直于岩样轴线，最大偏差不大于0.25°，岩样高度上直径误差不大于0.3mm。
4.根据权利要求1所述的储油环境下深部硬石膏洞室群稳定性评价及布局优化方法，其特征在于：所述深部硬石膏围岩力学参数分析步骤2中运用基于Hoek-Brown强度准则和地质强度指标的综合量化方法对硬石膏岩体强度参数进行研究，包括岩体单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角及对应岩石参数的折减率。
5.根据权利要求1所述的储油环境下深部硬石膏洞室群稳定性评价及布局优化方法，其特征在于：所述储库洞室群稳定性研究的数值模拟计算采用FLAC3D有限差分软件进行计算，且模型匹配在特定的压力水平下的非线性Hoek-Brown强度包线；流动法则按照应力状态来分配流动法则，在完全拉伸区，使用径向流动法则；在压缩且拉伸或等于0的区域使用关联流动法则。
6.根据权利要求1所述的储油环境下深部硬石膏洞室群稳定性评价及布局优化方法，其特征在于：所述评价指标的单元安全系数评价在基于Hoek-Brown强度准则，结合模型的应力场分布，提出单元安全系数，保证模型中的单元具有一定的强度储备。
7.根据权利要求1所述的储油环境下深部硬石膏洞室群稳定性评价及布局优化方法，其特征在于：所述试验方案设计的立柱宽度逐渐进行递增，5水平分别选取10m,12m,14m,16m,18m；立柱高度逐渐进行递增，5水平分别选取11m,13m,15m,17m,19m；隔层厚度逐渐进行递增，5水平分别选取10m,14m,18m,22m,26m。
8.根据权利要求1所述的储油环境下深部硬石膏洞室群稳定性评价及布局优化方法，其特征在于：所述优化结果分析运用极差分析法，由极差大小排出影响塑性区体积大小、上立柱安全系数、下立柱安全系数和隔层安全系数的各因素的重要性顺序，并得出因素的最佳水平组合。
9.根据权利要求1所述的储油环境下深部硬石膏洞室群稳定性评价及布局优化方法，其特征在于：所述优化结果分析的塑性区分布规律主要考虑上、下立柱和隔层是否出现贯通区；塑性区体积为围岩处于塑性极限的所有单元体积总和；上立柱安全系数为上层各个立柱所在单元的安全系数平均值的极小值；下立柱安全系数为下层各个立柱所在单元的安全系数平均值的极小值；隔层安全系数为隔层所在单元的安全系数平均值的极小值。
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