CN105761158A - 盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法，其通过地质资料和现场勘探的情况，判断出关于盐岩，泥岩及夹层的力学参数；并针对储气库的不同情况应用不同的储气库极限运行压力的判别标准，计算得出储气库极限压力的理论值；采用改进后的摩尔库伦屈服准则对储气库极限压力的理论值进行有限元模拟分析，得到储气库极限压力的模拟值；最后进行优化处理得到运行压力的极限值。本发明所述盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法，其集中归纳分析了从认识岩体情况、储气库极限运行压力的判别标准以及有限元模拟分析，最终获得盐岩储气库运行极限压力的全过程，其能够全面分析均质盐岩和含夹层盐岩的多种工况，适于广泛应用。

Description

盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，具体涉及一种盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法。

背景技术

天然气资源具有燃烧完全，有利于生态环境的优点。由于盐岩具有渗透率小、孔隙度低、塑性变形能力强、损伤自恢复、分布广和水文地质条件简单等优良特性；同时，盐岩地下储气库具有注采效率高、短期吞吐量大、垫气量低和填充周期短等优点，盐岩储气库被公认为天然气储备的理想场所，兴建盐岩地下储气库成为一种趋势。随着盐岩储气库的大量出现，如何确定盐岩地下储气库的极限运行压力成为当前问题的研究重点，研究储气库极限运行压力是有效利用储气库的库容以及保证储气库安全运行的重要前提。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种能够全面分析均质盐岩和含夹层盐岩的多种工况的盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法。

一种盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法，所述盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法包括以下步骤：

S1、结合地质资料和现场勘探的情况，判断关于盐岩，泥岩及夹层的力学参数；

S2、针对不同的情况应用不同的储气库极限运行压力的判别标准，结合各项判别准则综合计算得出储气库极限压力的理论值；

S3、将摩尔库伦破坏准则改进为摩尔库伦屈服准则，采用摩尔库伦屈服准则对储气库极限压力的理论值进行有限元模拟分析，得到储气库极限压力的模拟值；

S4、对储气库极限压力的模拟值进行优化处理，得到运行压力的极限值。

本发明所述盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法，其通过地质资料和现场勘探的情况，判断出关于盐岩，泥岩及夹层的力学参数；并针对储气库的不同情况应用不同的储气库极限运行压力的判别标准，计算得出储气库极限压力的理论值；采用改进后的摩尔库伦屈服准则对储气库极限压力的理论值进行有限元模拟分析，得到储气库极限压力的模拟值；最后进行优化处理得到运行压力的极限值。本发明所述盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法，其集中归纳分析了从认识岩体情况、储气库极限运行压力的判别标准以及有限元模拟分析，最终获得盐岩储气库运行极限压力的全过程，其能够全面分析均质盐岩和含夹层盐岩的多种工况，适于广泛应用。

附图说明

图1为本发明所述盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法的流程框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法，如图1所示，所述盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法包括以下步骤：

S1、结合地质资料和现场勘探的情况，判断关于盐岩，泥岩及夹层的力学参数。

具体是对岩体的基础物理力学性质的认识，对实际工程而言，应从最基本的地质条件开始入手，分析地质资料的同时要以现场勘探为主，从而得到各项关于盐岩，泥岩及夹层的各项力学参数，为后续分析步骤提供可靠的前提条件。

S2、针对不同的情况应用不同的储气库极限运行压力的判别标准，结合各项判别准则综合计算得出储气库极限压力的理论值。

其中，所述储气库极限运行压力包括储气库上限运行压力和储气库下限运行压力。

所述储气库上限运行压力的判别准则包括水力压裂准则、最大拉应力强度准则以及剪切破坏准则；

当储气库周围的盐岩会产生裂缝，并发展成张开型裂缝时，应用水力压裂标准；

当盐岩地下储气库各岩层的抗拉强度为零时，储气库腔体发生拉裂破坏时，应用最大拉应力强度标准；

当夹层与盐岩的特性差别明显，出现不协调变形，继而产生层间错动时，应用剪切破坏准则。

具体的，确定所述储气库上限运行压力的三种判别准则如下：

水力压裂准则：

由于储气库位于岩层中，不可避免的会在围岩中产生裂缝，在储气库运行过程中，围岩可能会由于储气库的腔体压力进一步发展出张开型裂缝。在平面的弹性力学理论中，位于无限体中的一个小圆孔在受到来自无穷远的二维应力场的作用时，此时圆孔将处于平面应变状态。在圆孔内有压力p时，在圆孔周围会产生切向应力，方向垂直于主应力，且会随着压力p的增大而逐渐增大，直到切向应力达到岩石的抗拉强度后，便会产生裂纹。而裂纹在储气库的使用过程中是不允许出现的，由此可知储气库的内压一定要小于最小水平主应力，即：

p_max1＜σ_min＝λρgh

式中，p_max1为储气库的最大内压；σ_min为最小水平主应力；λ为水平侧压力系数；ρ为岩层材料的密度；g为重力加速度；h为垂向高度。

最大拉应力强度准则：

盐岩地下储气库的围岩的抗拉强度较低，储气库内气压过高时，会在围岩中产生拉应力，此时应特别注意储气库的张拉破坏。在储气库围岩中存在多种类型的岩石，而且储气库的腔体是不规则的，因此弹性力学不适合用于此问题。而有限元数值方法求解此类问题就相对简单，可以根据切合实际情况的模拟来准确的求解。在考虑围岩的最大拉应力时，应该以抗拉强度最低的夹层为准，即：

σ₁≤σ_t

式中σ_t为夹层的抗拉强度。

在考虑储气库围岩的抗拉强度时，由于围岩的各层岩石的抗拉强度都很低，因此可以认为σ_t等于零。在进行有限元数值模拟求解时，只要当最大主应力σ₁＞0时，就认为围岩已经发生破坏。在储气库运行过程中出现的大于储气库上覆岩层的自重的压力，也就是使围岩中出现拉应力的压力就是最大内压，记为p_max2。

剪切破坏准则：

在储气库运行的过程中，由于气压的升降，必然会引起储气库的围岩产生变形，由于盐岩与夹层的力学性质之间存在着差异性，将导致盐岩与夹层在交界面上的变形会出现不一致，导致层间的错动以致出现剪切破坏，进而影响储气库的局部稳定性。

由库伦滑动准则可知，层状盐岩中盐岩层与夹层交界面处最大剪切滑动阻力可按下式来计算：

τ_max＝σ'_ntanφ+C＝(σ_n-P_p)tanφ+C

式中，τ_max为最大剪切滑动阻力；σ_n为交界面正应力；P_p为孔隙压力；φ为盐岩层与夹层交界面的内摩擦角；C为盐岩层与夹层交界面的凝聚力。

在剪切破坏准则的条件下，为了使盐岩层与夹层交界面不发生层面滑动出现剪切破坏，则要求：

τ≤τ_max

式中τ为交界面处剪应力。

为避免盐岩层与夹层交界面出现剪切破坏，此时储气库腔体运行的最大内压记为p_max3。

而所述储气库下限运行压力的判别准则包括顶板稳定准则、蠕变破坏准则以及剪切破坏准则；

当储气库内压大于上覆岩体的自重压力的差值小于最低阈值，使腔体顶板下沉变形时，应用顶板稳定准则；

当储气库压力的降低，出现蠕变变形时，应用蠕变破坏准则；

当盐岩与夹层之间出现剪切破坏时，应用剪切破坏准则。

具体的，确定所述储气库下限运行压力的三种判别准则如下：

顶板稳定准则：

当储气库的内压小于围岩的围压时，储气库的顶板会由于上覆岩体的压力而开始出现下沉。在建造过程中的弹性变形以及建成后的蠕变变形都需要考虑进去。因此，储气库的最小压力必须能够使顶板不会过度变形以及底部出现张应变。对于安全性而言，初期库内的残余气体压力越高越好，但是就经济性而言，则相反。因此，需要在经济性和安全性之间找到一个合理的平衡点。为此，必须对最小压力的确定进行综合分析与合理确定。

蠕变破坏准则：

在储气库建成后，盐岩就会开始产生蠕变变形，并且变形会随着时间的增长而增长，蠕变变形积累到一定程度后会引起蠕变破坏。对于盐岩地下储气库，由于采气所引起的内压降低会产生蠕变应变，储气库的稳定状态可以用下式来表示：

$F_c=\frac{{\mathrm{\ϵ}}^u}{\mathrm{\ϵ}}$

式中，ε为有效应变；ε^u为极限应变；如果F_c＞1则认为储气库的蠕变应变是可以接受的，不会出现蠕变破坏。盐岩极限应变根据储气库所处的地区不同，当地的盐岩蠕变力学特性不同而各不相同。

为避免盐岩层出现蠕变破坏，此时储气库腔体运行的最小内压记为P_min1。

剪切破坏准则

与确定上限压力时的剪切破坏情况类似，在盐岩地下储气库运行的过程中，随着腔体内压的降低，需要密切关注层间界面处剪应力产生的变化，避免出现剪切破坏。

同样，层状盐岩中盐岩层与夹层交界面处最大剪切滑动阻力可按下式来计算：

τ_max＝σ'_ntanφ+C＝(σ_n-P_p)tanφ+C

式中，τ_max为最大剪切滑动阻力；σ_n为交界面正应力；P_p为孔隙压力；φ为盐岩层与夹层交界面的内摩擦角；C为盐岩层与夹层交界面的凝聚力。

在剪切破坏准则的条件下，为了使盐岩层与夹层交界面不发生层面滑动出现剪切破坏，则要求：

τ(P_下)≤τ_max

式中τ为交界面出剪应力。

为避免盐岩层与夹层交界面出现剪切破坏，此时储气库腔体运行的最小内压记为P_min2。

S3、将摩尔库伦破坏准则改进为摩尔库伦屈服准则，采用摩尔库伦屈服准则对储气库极限压力的理论值进行有限元模拟分析，得到储气库极限压力的模拟值。

所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、将摩尔库伦破坏准则分为剪切型摩尔库伦破坏准则和拉伸型摩尔库伦破坏准则；

S32、对拉伸型摩尔库伦破坏准则和剪切型摩尔库伦破坏准则进行拟合，生成摩尔库伦屈服准则；

S33、采用摩尔库伦屈服准则进行有限元模拟分析，得出储气库极限运行压力的模拟结果。

首先需要对经典的摩尔库伦进行改进，使其能够考虑拉伸强度的影响，进而才能应用在本方法中进行有限元模拟分析，具体如下：

这里将原始的摩尔库伦破坏准则分为两种，其中一种为剪切型摩尔库伦破坏准则，此破坏准则高估了岩石的抗拉性能，对于一般应力状态下，剪切型摩尔库伦模型可以用应力不变量来表示：

$F={\mathrm{\σ}}_{m}sin\mathrm{\φ}+\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}K\left(\mathrm{\θ}\right)-ccos\mathrm{\φ}=0$

式中，c、φ分别为粘聚力和内摩擦角；为平均应力；为等效应力；I₁、J₂分别为应力第一不变量和应力偏量第二不变量；θ为Lode角；

$K\left(\mathrm{\θ}\right)=cos\mathrm{\θ}-\frac{1}{\sqrt{3}}sin\mathrm{\φ}sin\mathrm{\θ}$

另一种则为拉伸型摩尔库伦破坏准则可以用应力不变量表示为

式中，f_t为岩土介质的抗拉强度。

采取分段函数对K(θ)进行描述从而对拉伸型摩尔库伦破坏准则和剪切型摩尔库伦破坏准则进行拟合，生成摩尔库伦屈服准则。

下式可以表示改进的摩尔库伦屈服准则：

$F={\mathrm{\σ}}_{m}sin\mathrm{\φ}+\sqrt{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}^2{K}^2\left(\mathrm{\θ}\right)+m^2{c}^2{\cos }^2\mathrm{\φ}}-ccos\mathrm{\φ}=0$

其中，K(θ)的表达式为

$K\left(\mathrm{\θ}\right)=\left\{\begin{array}{c}\left(A-B\right)\sin \mathrm{\θ},\left|\mathrm{\θ}\right|>{\mathrm{\θ}}_T\\ \left(\cos \mathrm{\θ}-\frac{1}{\sqrt{3}}\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\θ}\right),\left|\mathrm{\θ}\right|\≤{\mathrm{\θ}}_T\end{array}\right.$

其中， $A=\frac{1}{3}{\mathrm{cos\θ}}_T(3+{\mathrm{tan\θ}}_{T}tan3{\mathrm{\θ}}_T+\frac{1}{\sqrt{3}}sign(\mathrm{\θ}\left)\right(tan3{\mathrm{\θ}}_T-3{\mathrm{tan\θ}}_T\left)sin\mathrm{\φ}\right)$

本发明实施例中参考的岩体为含夹层盐岩，采用改进的摩尔库伦屈服准则对含夹层盐岩的储气库极限运行压力的理论值进行有限元模拟分析，经过有限元模拟后可以得出储气库极限运行压力的模拟值。

S4、对储气库极限压力的模拟值进行优化处理，得到运行压力的极限值。

其中，所述对储气库极限压力的模拟值进行优化处理即为求取储气库上限压力模拟值的最小值和储气库下限压力模拟值的最大值。

所述储气库上限运行压力为储气库腔体运行的最大内压、储气库抗拉强度的最大内压以及储气库水平主应力的最大内压三种压力的综合最小值。

具体的，综上水力压裂准则、最大拉应力强度准则以及剪切破坏准则三种破坏准则，取三种破坏准则下最大运行压力的最小值，并乘以一定的安全系数(0.90-0.95)即可得到储气库的最大运行压力，即盐岩储气库上限运行压力可以表示为：

P＝min(p_max1,p_max2,p_max3)×α；

其中，p_max3为储气库腔体运行的最大内压；p_max2为储气库抗拉强度的最大内压；p_max1为储气库水平主应力的最大内压。

所述储气库下限运行压力为最低顶板稳定内压、最低蠕变应变内压以及最低剪切破坏内压三种压力的综合最大值。

具体的，综合考虑顶板稳定准则、蠕变破坏准则以及剪切破坏准则三种破坏准则，取三者中的最大值，同时乘以一定的安全系数即可确定储气库下限运行压力，即盐岩储气库下限运行压力可以表示为：

P＝max(P_min1,P_min2)*β；

其中，P_min1为储气库蠕变破坏的最小内压；P_min2为储气库剪切破坏的最小内压。

本发明所述盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法，其通过地质资料和现场勘探的情况，判断出关于盐岩，泥岩及夹层的力学参数；并针对储气库的不同情况应用不同的储气库极限运行压力的判别标准，计算得出储气库极限压力的理论值；采用改进后的摩尔库伦屈服准则对储气库极限压力的理论值进行有限元模拟分析，得到储气库极限压力的模拟值；最后进行优化处理得到运行压力的极限值。本发明所述盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法，其集中归纳分析了从认识岩体情况、储气库极限运行压力的判别标准以及有限元模拟分析，最终获得盐岩储气库运行极限压力的全过程，其能够全面分析均质盐岩和含夹层盐岩的多种工况，适于广泛应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法，其特征在于，所述盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法包括以下步骤：

S1、结合地质资料和现场勘探的情况，判断关于盐岩，泥岩及夹层的力学参数；

S2、针对不同的情况应用不同的储气库极限运行压力的判别标准，结合各项判别准则综合计算得出储气库极限压力的理论值；

S3、将摩尔库伦破坏准则改进为摩尔库伦屈服准则，采用摩尔库伦屈服准则对储气库极限压力的理论值进行有限元模拟分析，得到储气库极限压力的模拟值；

S4、对储气库极限压力的模拟值进行优化处理，得到运行压力的极限值。

2.根据权利要求1所述的盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法，其特征在于，所述储气库极限运行压力包括储气库上限运行压力和储气库下限运行压力。

3.根据权利要求2所述的盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法，其特征在于，所述储气库上限运行压力的判别准则包括水力压裂准则、最大拉应力强度准则以及剪切破坏准则；

当储气库周围的盐岩会产生裂缝，并发展成张开型裂缝时，应用水力压裂标准；

当盐岩地下储气库各岩层的抗拉强度为零时，储气库腔体发生拉裂破坏时，应用最大拉应力强度标准；

当夹层与盐岩的特性差别明显，出现不协调变形，继而产生层间错动时，应用剪切破坏准则。

4.根据权利要求2所述的盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法，其特征在于，所述储气库下限运行压力的判别准则包括顶板稳定准则、蠕变破坏准则以及剪切破坏准则；

当储气库内压大于上覆岩体的自重压力的差值小于最低阈值，使腔体顶板下沉变形时，应用顶板稳定准则；

当储气库压力的降低，出现蠕变变形时，应用蠕变破坏准则；

当盐岩与夹层之间出现剪切破坏时，应用剪切破坏准则。

5.根据权利要求1所述的盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、将摩尔库伦破坏准则分为剪切型摩尔库伦破坏准则和拉伸型摩尔库伦破坏准则；

S32、对拉伸型摩尔库伦破坏准则和剪切型摩尔库伦破坏准则进行拟合，生成摩尔库伦屈服准则；

S33、采用摩尔库伦屈服准则进行有限元模拟分析，得出储气库极限运行压力的模拟结果。

6.根据权利要求2所述的盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法，其特征在于，步骤S4中所述对储气库极限压力的模拟值进行优化处理即为求取储气库上限压力模拟值的最小值和储气库下限压力模拟值的最大值。

7.根据权利要求6所述的盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法，其特征在于，所述储气库上限运行压力为储气库腔体运行的最大内压、储气库抗拉强度的最大内压以及储气库水平主应力的最大内压三种压力的综合最小值。

8.根据权利要求6所述的盐岩地下储气库极限运行压力的分析方法，其特征在于，所述储气库下限运行压力为最低顶板稳定内压、最低蠕变应变内压以及最低剪切破坏内压三种压力的综合最大值。