摘 要：鹽巖蠕變對鹽穴地下儲氣庫的溶腔形態(tài)有著較大的影響，易造成儲氣庫失效、泄漏、破裂等安全問題。為此，利用美國ITASCA咨詢集團(tuán)公司開發(fā)的FLAC3D陜速拉格朗日差分軟件，建立了鹽穴儲氣庫模型，對儲氣庫溶腔蠕變規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了在不同蠕變時間內(nèi)、不同內(nèi)壓下儲氣庫溶腔在不同直徑處的變形量，得到在鹽巖蠕變下，鹽穴儲氣庫溶腔形態(tài)的變化規(guī)律，并給出了相應(yīng)操作建議：①鹽穴儲氣庫溶腔不同直徑處產(chǎn)生的變形量是不同的，溶腔最大直徑處變形量最大，隨著直徑的增大變形量增大，且呈非均勻性增大，因此在建設(shè)鹽穴儲氣庫時，應(yīng)對儲氣庫溶腔的高徑比進(jìn)行嚴(yán)格地計(jì)算；②溶腔內(nèi)壓對儲氣庫溶腔變形量有直接作用，較高壓力下的鹽巖蠕變對儲氣庫溶腔形態(tài)變化的影響比低壓時小，因此建議在鹽穴儲氣庫實(shí)際運(yùn)行過程中，盡量避免低壓運(yùn)行，以保證儲氣庫溶腔形態(tài)的完整性。該成果為鹽穴儲氣庫的安全運(yùn)行與維護(hù)提供了可行的依據(jù)。
關(guān)鍵詞：鹽穴地下儲氣庫 鹽巖蠕變 溶腔形態(tài) 變化規(guī)律 數(shù)值模擬 溶腔內(nèi)壓 完整性 操作壓力
Numeilical simuhaion of the creep defonnation of underground salt cavern gas storages
Abstract：With the rapid development of underground salt cavern gas storages in China，how to scientifically analyze the deformation rule of salt cavern gas storages and ensure their shape integrity have become important issues in gas storage construction，operation maintenance and management．In the operation of salt cavern gas storages，due to the role of different internal pressures and external formation pressures，the deformation in different diameters of cavity gypsum layers is different．In this paper,FLAC3D was used to numerically simulate the creep law of salt cavern gas storages and analyze the deformation in different diameters of cavity gypsum layers under different pressures．The results showed that the internal pressure has a direct effect on the deformation of salt cavern gas storages cavity，and the deformation changes with different diameters of cavity which is inhomogeneous with the increase of diameters．Thus，the ratio of height to diameter of cavity must be controlled strictly in the construction of underground salt cavern gas storages and the operation pressures of gas inj ection and mining must be controlled strictly in the running processes of gas storages．
Keywords：underground salt cavern gas storage，salt rock creep，cavity form，deformation rule，numerical simulation，internal pressure，integrity，operation pressure
鹽穴地下儲氣庫(以下簡稱鹽穴儲氣庫)通過常規(guī)鉆井方法鉆穿鹽巖層，注入淡水進(jìn)行沖蝕，抽出鹵水后利用形成的溶腔進(jìn)行氣體儲存。由于鹽巖具有孔隙度低、滲透性小、塑性大等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用鹽穴儲氣庫儲存氣體安全可靠、不易滲漏[1]。
鹽巖具有較大塑性，造成了儲氣庫溶腔注采氣時的可收縮性。同時，鹽巖具有蠕變特性，鹽巖蠕變對鹽穴地下儲氣庫的溶腔形態(tài)有較大影響，造成儲氣庫失效、泄漏、破裂等安全問題[2]。鑒于此，利用美國ITASCA咨詢集團(tuán)公司開發(fā)的FLAC3D快速拉格朗日差分軟件，建立鹽穴儲氣庫模型，對儲氣庫溶腔蠕變規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，分析在不同蠕變時間內(nèi)、不同內(nèi)壓下儲氣庫溶腔在不同直徑處的變形量，得到在鹽巖蠕變下，鹽穴儲氣庫溶腔形態(tài)的變化規(guī)律，為鹽穴儲氣庫的安全運(yùn)行與維護(hù)提供可行的依據(jù)。
1 建模原理
利用數(shù)值模擬方法對鹽穴儲氣庫溶腔蠕變規(guī)律及溶腔變形量開展研究，基本原理是采用拉格朗日法研究每個流體質(zhì)點(diǎn)隨時間變化的情況，著眼于某個流體質(zhì)點(diǎn)，研究任一段時間內(nèi)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的軌跡以及質(zhì)點(diǎn)的速度和壓力。
FLAC3D將求解物體離散為一系列如圖1所示的四面體單元，并采用插值函數(shù)
進(jìn)行求解，函數(shù)中ui、vi分別代表四面體中節(jié)點(diǎn)的位移、速度。FLAC3D數(shù)值模擬基本原理是[3]：①通過對三維介質(zhì)的離散，使所有外力與內(nèi)力集中于三維網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)而將連續(xù)介質(zhì)運(yùn)動定律轉(zhuǎn)化為離散節(jié)點(diǎn)上的牛頓定律；②時間與空間的層數(shù)采用沿有限空間與時間間隔線性變化的有限差分來近似地表示；③將靜力問題當(dāng)做動力問題來求解，運(yùn)動方程中慣性項(xiàng)用來作為達(dá)到所求靜力平衡的一種手段。
2 溶腔模型的建立
我國鹽巖礦藏以多夾層鹽巖為主，由于主要分析鹽穴儲氣庫溶腔在鹽巖蠕變下的變形規(guī)律，因此在建立儲氣庫溶腔模型時將復(fù)雜的鹽巖夾層簡化為簡單的單層鹽巖層。借鑒江蘇金壇鹽穴儲氣庫的建庫參數(shù)[4]，建立了如圖2所示的腔體幾何模型。建立溶腔及圍巖地層模型后，將地層巖石力學(xué)參數(shù)、鹽層的蠕變關(guān)系、溶腔周圍的地應(yīng)力參數(shù)及溶腔運(yùn)行參數(shù)帶入模型中進(jìn)行模擬計(jì)算。
2．1 網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置
利用ANSYS軟件進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分[5]，并接入到FALC3D中，劃分后的網(wǎng)格如圖3所示。
圖3中，1/4圓柱體模擬儲氣庫溶腔周圍的地質(zhì)環(huán)境，其直徑是儲氣庫溶腔模型最大直徑的20倍，在網(wǎng)格中間位置可以看到儲氣庫溶腔輪廓的1/4。在網(wǎng)格劃分時將儲氣庫溶腔網(wǎng)格一起劃分，有助于儲氣庫溶腔的形成。在此網(wǎng)格中，定義了2個組，分別是group1和group2，前者對儲氣庫溶腔進(jìn)行網(wǎng)格劃分，后者對儲氣庫溶腔周圍地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選擇采用各向同性彈性模型，其材料特性常數(shù)見表1。
2．2 模型求解及驗(yàn)證
數(shù)值分析采用迭代方法計(jì)算，在迭代過程中監(jiān)控一些變量或參數(shù)的變化，以判斷分析結(jié)果是否正確，模型是否與實(shí)際相符[6-7]。監(jiān)控模型最大不平衡力，所謂體系最大不平衡力，是指每一個計(jì)算循環(huán)中，外力通過網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)傳遞分配到體系各節(jié)點(diǎn)時，所有節(jié)點(diǎn)的外力與內(nèi)力之差中的最大值。如圖4～6監(jiān)控了最大不平衡力，并記錄了位移等值線圖和應(yīng)力等值線圖。
由圖4可以得出，該模型中最大不平衡力逐漸收斂至零，表示所建儲氣庫溶腔模型具有收斂性。由圖4、5可以看出，在建立的土體模型中，由于重力場的作用，最大位移和最大應(yīng)力分別出現(xiàn)在模型的最底部。
2．3 腔體的形成及導(dǎo)入蠕變模型
利用空模型形成腔體模型，通過設(shè)置groupl為空模型進(jìn)行開挖，開挖后的模型如圖7、8所示。
形成腔體模型后，需要對溶腔施加內(nèi)壓，通過施加法向應(yīng)力將儲氣庫內(nèi)壓分別設(shè)置為10MPa、15MPa、17MPa、20MPa、23MPa、25MPa和30MPa，選擇經(jīng)典黏彈性蠕變模型[8-9]計(jì)算在不同內(nèi)壓條件下溶腔不同直徑處的蠕變變形量。經(jīng)典黏彈性蠕變模型材料參數(shù)如表2所示。
3 蠕變計(jì)算及結(jié)果分析
3．1 蠕變計(jì)算
根據(jù)一些學(xué)者的研究[10-12]，進(jìn)行蠕變計(jì)算時，分別計(jì)算了儲氣庫溶腔內(nèi)壓為10MPa、15MPa、17MPa、20MPa、23MPa、25MPa、30MPa，蠕變時間分別為2a、4a、6a、8a、10a、15a、20a時，儲氣庫溶腔直徑為20m、30m、40m、50m處X軸向的位移變化量。
3．2 結(jié)果分析
根據(jù)模擬計(jì)算所得結(jié)果，可以得到不同壓力下儲氣庫溶腔不同直徑處變形量圖(圖9～11)，經(jīng)總結(jié)分析，僅列出具有代表性的分析圖。圖9～11分別表示溶腔內(nèi)壓為10MPa、20MPa、30MPa時，不同蠕變時間鹽穴儲氣庫溶腔不同直徑處的變形量。
對比分析圖9～11，可以得出：①溶腔不同直徑處變形量隨時間變化規(guī)律比較一致，溶腔直徑為50m處的變形量最大；②蠕變時間為6a時，不同壓力下溶腔不同直徑處變形量曲線均出現(xiàn)一個明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。蠕變時間小于6a時，溶腔變形量曲線斜率較大，表明在此時間內(nèi)溶腔變形速率較大，變形比較顯著；蠕變時間大于6a時，溶腔變形量曲線較平緩，溶腔變形量隨時間變化不大；③內(nèi)壓為10MPa時，蠕變20a后，溶腔直徑為50m處變形量為360mm。內(nèi)壓為20MPa時，蠕變20a后，溶腔直徑為50m處變形量為620mm。內(nèi)壓為30MPa時，蠕變20a后，溶腔直徑為50m處變形量為640mm。數(shù)據(jù)表明，溶腔內(nèi)壓小于20MPa時，溶腔變形量隨壓力增大顯著增加；溶腔內(nèi)壓大于20MPa時，溶腔變形量變化不大。
4 結(jié)論
1)建立了鹽穴儲氣庫溶腔模型，計(jì)算分析了在鹽巖蠕變下鹽穴儲氣庫溶腔形態(tài)的變形量，得到了鹽穴儲氣庫在不同壓力下溶腔不同直徑處的變化規(guī)律。由于受鹽巖蠕變的影響，在鹽穴儲氣庫溶腔不同直徑上產(chǎn)生的變形量是不同的，溶腔最大直徑處變形量最大，隨著直徑的增大變形量增大，且呈非均勻增大，因此在建設(shè)鹽穴儲氣庫時，應(yīng)對儲氣庫溶腔的高徑比進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算。
2)鹽穴儲氣庫在不同的運(yùn)行壓力下變形量是不同的。當(dāng)壓力小于20MPa時，隨著內(nèi)壓增加，溶腔整體變形量增加；當(dāng)內(nèi)壓大于20MPa時，隨著內(nèi)壓增加，溶腔整體變形量基本保持不變。說明在較高壓力下，鹽巖蠕變對溶腔形態(tài)變化的影響比低壓時小。因此，建議在鹽穴儲氣庫實(shí)際運(yùn)行過程中，盡量避免低壓運(yùn)行，以保證儲氣庫溶腔形態(tài)完整性。
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本文作者：梁光川 王夢秋 彭星煜 張碩
作者單位：西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院
中國石油兩氣東輸管道公司蘇北管理處
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